大断面复合顶板支护技术实践

王东刚

摘 要：在分析西坡煤业2502工作面巷道支护过程存在的难题，结合西坡煤业矿井地质结构和围岩应力监测结果，对原支护技术进行分析的基础上，提出优化后的桁架锚索复合支护技术，并对支护后的效果进行对比分析，通过监测结果表明，采用联合支护技术方案后巷道的围岩应力变化得到有效控制，保障煤矿的安全高效开采。

关键词：锚杆锚索;高预应力;组合支护;围岩应力

0 前言

科学合理的巷道支护技术是保证矿井安全生产的重要因素，随着矿井采掘深度的不断延伸，开采强度的增加，传统的支护方式难以保证复杂地质条件下巷道支护结构的安全稳定性。桁架锚索复合支护技术为复杂地质条件下巷道的支护提供新的解决方案，诸多学者对此展开相关研究，张农，袁亮，基于预应力支护结构的理论分析，提出锚索复合支护技术，提高了巷道支护的安全可靠性。

为此，本文以西坡煤业2502工作面皮带巷为基础，开展高预应力锚杆索组合支护工艺研究及效果分析，为西坡煤业综采工作面巷道支护提供指导与参考。

1 矿井概况

西坡煤业公司位于山西河东煤田中段，井田面积为44.53km2，设计生产能力120Mt/a，主要开采2#、4#和5#煤层。现主要开采2#煤层厚度在4.68～6.96m之间，平均厚度为5.6m。煤层裂隙发育，稳定性差，属于典型复合顶板煤层类型，初掘期间巷道稳定性较高，但后期巷道变形量大，支护难度大。2502运输皮带巷沿2#煤层底板掘进，断面形状为矩形，尺寸为巷道宽5.6m，高3.5m，掘进断面积23m2，在掘进过程中可能揭露6m左右的断层，构造带地段巷道围岩易出现节理、裂隙发育情况，需加强支护。

2 巷道围岩应力测试与研究

2.1 围岩结构与强度

利用钻孔窥视仪对煤层顶板围岩的结构进行观察，掌握顶板岩层的结构面特征，同时，对顶板10m范围内围岩强度进行测试，根据围岩结构窥视和围岩强度测试结果，可知：

①顶板上方0-7.3m范围为泥岩，岩层强度平均值为45.7MPa;7.2-8.9m范围为细粒砂岩，岩层强度平均值为67.05MPa;9.3-10.2m范围为泥岩，岩层强度平均值为39.6MPa;

②受岩层中节理的影响，在0-6m范围内，最低强度仅为26MPa，而最高强度达到了45MPa，特别是开口处，围岩的强度很低，说明2# 煤直接顶易风化。

2.2 地应力

西坡煤业2#煤层所测区域地应力分布具有以下特征：

①所测区域最大水平主应力为11.54MPa，根据相关判断标准：0～10MPa为低应力区，10～18MPa为中等应力区，18～30MPa为高应力区;大于30MPa为超高应力区。西坡煤业8#煤层所测区域地应力在量值上属于中等偏低应力值区域;

②测试结果显示垂直应力>最大水平主应力>最小水平主应力，由此可判断所测区域应力场类型为σV>σH>σh型应力场，自重应力占绝对优势;

③2502皮带巷沿正北向布置，最大水平主应力方向为N35.4°W，由此判断，靠近巷道下帮的位置，顶、底及帮部受到的影响最大，这些部位是应力集中，需加强支护。

3 巷道支护技术难点分析

①2#煤層顶板岩性为泥岩或砂质泥岩，因巷道使用年限较长，加之井下环境潮湿，巷道表面易发生风化、脱落现象，导致支护系统失效，在矿山压力作用下造成巷道顶板离层和下沉，埋下冒顶的隐患;

②针对易风化复合顶板的控制，西坡矿也采用喷浆的方法封闭围岩，起到了一定效果，但是施工工艺较为繁琐、成本高，且由于巷道上部02#煤层中赋含瓦斯，在2#煤层巷道进行喷浆处理后，封闭瓦斯溢出通道，容易导致回采期间采空区瓦斯超限问题;

③2502皮带巷自重应力高，而巷道两帮煤体强度远小于顶底板岩层强度，也是最薄弱部位，支撑力差。地质结构复杂的巷道顶板两帮围岩应力所引起的形变直接影响巷道顶板的整体稳定性，两壁煤帮在位移变化后，无法支撑巷道顶板，使巷道顶板跨度加大，导致巷道复合顶板的冒顶、离层，顶板岩层承载能力逐步减弱，直至巷道顶板垮落。

4 桁架锚索复合支护技术参数

基于西坡煤业矿井地质结构和工程实践，经研究采用桁架锚索复合支护技术对2502工作面巷道进行加强支护，选用托板和钢带等构件将巷道围岩应力减弱并扩散出去，提高围岩预应力的作用区域。巷道支护布置如图1所示，巷道联合支护技术参数如下：

4.1 锚杆支护

选取直径为22mm的左旋无纵筋螺纹钢杆体（钢号400#，长度2.4m，杆尾螺纹为M24），垂直巷道顶板打入，两边角锚杆与顶板垂直方向最大角度不超过100°;锚杆排距1000mm，每排7根锚杆，间距900mm，预紧力矩大于300N·m;采用两支MSZ2360锚固剂进行加长锚固，锚固长度1525mm。采用尺寸为5600mm×250mm×3mm的W钢带进行护顶。

4.2 锚索支护

锚索尺寸为φ21.6mm×5300mm，钻孔直径30mm，采用1支MSZ2360锚固剂进行锚固，锚固长度2200mm;采用“三二三”布置，间距1800mm，排距2000mm，锚索张拉锁定后的预紧力大于200kN。

4.3 工作面面帮支护

工作面帮采用直径φ20mm的全螺纹玻璃纤维锚杆（长度2.1m，配专用托板），垂直面帮打入，两顶底角锚杆与巷帮垂直方向角度不超过100;锚杆排距1000mm，每排3根锚杆，间距1000mm，最上一根距顶板300mm，预紧力矩大于300N·m;采用1支MSZ2360锚固剂进行锚固，锚固长度634m。采用尺寸为400mm×280mm×3mm的W钢护板进行护帮。

5 巷道支护效果分析

西坡煤业为验证桁架锚索复合支护技术的效果，在2502皮带巷内设置6个观测点，对采动引起的围岩变形情况进行监测。实施支护后30d内，围岩位移快速增加至100～150mm;30～70d内，顶板和巷帮围岩受力基本处于平衡状态，变形很小，顶板下沉变形量稳定在110mm左右，将巷道两帮的形变量有效控制在170mm的范围内;自第80天后，在采动影响下，巷道围岩受力平衡状态被打破，围岩累计变形量快速增大，但直至第150天，最大变形量也仅为400mm，顶板和两帮支护效果良好，巷道底板未发生底鼓现象。监测期间，未发生变形、破坏，取得良好效果。

6 结论

为解决巷道支护难题，西坡煤业采用桁架锚索复合支护技术对2502工作面巷道进行加强支护，并对支护后的效果进行监测，监测结果表明该支护技术促进了锚杆索与围岩之间的有效耦合，使巷道围岩应力得到有效控制，从整体上保证巷道围岩的安全稳定性。