煤与瓦斯突出矿井三软地层条件下巷道耦合支护关键技术研究与应用

李公朝 曾智超 陈薛

摘 要： 小屯煤矿为典型的三软地层，掘进巷道掘完后巷道修复率多年来一直居高不下，结合多家科研院所在小屯煤矿的软岩治理成果，对巷道的耦合支护关键技术研究并进行应用，大大降低了巷道修复率，降低了矿井生产经营成本，确保矿井高产高效发展。

关键词： 三软地层;沿空掘巷;耦合支护;生产成本

【中图分类号】TD713     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）11-0241-01

1 小屯煤矿16中11工作面巷道概况

16中11工作面为一采区南翼第6个工作面。北西侧为16中09采空区;北东侧为一采区主平硐，工作面设计停采线为大巷保护煤柱线;南东与16中13设计工作面相邻。

2 原工作面顺槽支护设计

2.1 轨顺（沿空）侧

断面设计为矩形，宽×高=4500×3000mm，顶板采用φ20×2200mm左旋无纵筋树脂锚杆、金属菱形网配合4500mm钢带支护及φ21.6×7000mm钢绞线锚索，帮部采用φ20×2200mm左旋无纵筋树脂锚杆、金属菱形网配合φ14mm钢筋制作的钢筋梯支护;沿6中煤顶板层位掘进。

2.2 运顺（实体煤）侧

断面设计为矩形，宽×高=4500×3000mm，顶板采用φ20×2200mm左旋无纵筋树脂锚杆、金属菱形网配合4500mm钢带及φ17.8×7000mm钢绞线锚索支护，帮部采用φ20×2200mm左旋无纵筋树脂锚杆、金属菱形网配合φ14mm钢筋制作的钢筋梯支护;沿6中煤顶板层位掘进。

3 耦合支护技术在顺槽掘进的应用

3.1 耦合支护的定义

耦合支护：根据巷道围岩力学性质计算的松动圈等巷道实际技术参考参数，通过计算得出的巷道断面、顶帮支护等优化方案特别是锚杆支护与锚索支护的同时叠加支护从而使巷道支护达到最佳支护的支护技术方式。

3.2 16中11顺槽的耦合支护

3.2.1 巷道断面方面：根据小屯煤矿典型软岩地质条件性质，巷道断面变更为梯形;主要目的为巷道掘进后围岩水平应力显现明显，常态性发生巷道底鼓现象，变更为梯形后，预留水平应力释放范围，释放后预期巷道整合为矩形巷道，矩形巷道在矿压释放后断面结构承载力强。

3.2.2 巷道支护参数方面：根据小屯煤矿典型软岩地质条件性质，一是巷道顶板金属菱形网优化为非镀锌钢丝网，主要目的为非镀锌钢丝网网眼小（40mm矩形）且含碳量高，防止顶板破碎矸石漏出引起顶板漏顶、甚至引起更大的顶板事故。二是根据沿空侧顺槽沿空特点，轨顺巷道顶板钢带优化为3500mm且不搭接帮部钢筋梯，主要目的为顶板肩窝位置预留水平及垂直应力释放范围，因不搭接帮部钢筋梯，释放后预期巷道变形量较原支护方式要小的多。三是根据沿空侧顺槽沿空特点，轨顺巷道顶板锚杆优化为高强树脂锚杆，主要目的为高强锚杆端头超过沿空松动圈范围、高强锚杆的抗拉强度及屈服强度较普通锚杆要大的多，屈服强度≥500Mpa，抗拉强度≥630Mpa，悬臂过程中抗拉抗剪能力更强。四是根据锚索悬吊理论，巷道上覆岩层B1灰岩f>12（硬度系数），锚索选型为9000mm长度，实体煤巷道优化为φ21.6mm锚索，使锚索锚入其岩层1000mm，加之锚索直径加大，起到良好悬吊及抗拉、抗剪效果。五是根据煤巷“三软”特点，帮部锚杆优化为全螺纹锚杆，防止锚杆泄载后无法进行预紧。

3.2.3 掘进层位及其他方面：一是轨顺巷道优化为沿6上煤底板层位掘进，因6中与6上煤夹矸软，顶板不易控制，且优化后锚索锚入B1灰岩的距离变小，减低生产成本。二是帮部锚杆帽与托盘之间增加皮带托盘，加大了附件的摩擦力，降低锚杆支护泄载速度。三是轨顺采用注浆锚索等边掘边注，提高了围岩整体性。

3.3 16中11顺槽耦合支护方式

3.3.1 16中11轨顺断面设计为梯形，上宽+下宽×高=4500+5000×3500mm，顶板采用φ22×2400mm高强树脂锚杆、非镀锌钢丝网配合3500mm钢带支护，帮部采用φ20×2400mm左旋全螺纹锚杆、金属菱形网配合φ14mm钢筋制作的钢筋梯及皮带托盘支护;沿6上煤底板层位掘进;沿空侧采用注浆锚索/锚杆边掘边注。

3.3.2 16中11运顺断面设计为梯形，上宽+下宽×高=4500+5000×3500mm，顶板采用φ20×2200mm左旋无纵筋树脂锚杆、非镀锌钢丝网配合4500mm钢带支护，帮部采用φ20×2400mm左旋全螺纹锚杆、金属菱形网配合φ14mm钢筋制作的钢筋梯及皮带托盘支护;沿6中煤顶板层位掘进。

3.4 耦合支护的效果分析

3.4.1 顺槽巷道支护设计优化后达到耦合支护特点。一是顺槽特别是因沿空巷道顶板的松动圈扩大后优化的锚杆支护超过松动圈范围，大大加大了巷道顶板的悬吊效果（按作业规程设计施工下组合梁效果正常）;二是锚索在稳定岩层悬吊效果更加明显;三是通过注浆及其他支护的优化更加完善了巷道的整体性有效支护、同时支护。以上特点，达到了巷道耦合支护目的，特别是根据巷道特点，应力释放后巷道的耦合支护更加明显。

3.4.2 耦合支护效果。轨顺自2019年11月掘进，2020年7月顶板变形控制在200mm，帮部控制在260mm，前段巷道底鼓控制在350mm，后段巷道控制在240mm;运顺自2018年11月掘进，2020年7月份顶板变形控制在150mm，帮部控制在190mm。耦合支护效果明显，防止了巷道的二次修复造成了生产成本增加，加快了综采工作面安装进度。

3.4.3 存在问題。一是沿空掘巷需进一步优化耦合支护方式，根据沿空特点及采空区涌水量等具体地质情况采取超前注浆、帮部泄压等方式进一步优化;二是顺槽煤巷道的过构造等特殊地点耦合支护设计要进一步优化;二是加强工程质量监督管理，工程质量为巷道支护的基本，耦合支护的设计优化必然以工程质量管理为前提;四是耦合支护丰富了软岩治理支护技术体系，工程技术人员要在日常总结的基础上加大创新能力，优化好软岩矿井各类支护参数，为矿井尽快建成软岩治理巷道支护体系作出贡献。