煤巷强矿压显现特征及大变形控制技术研究

高 峰

（霍州煤电集团什林煤业有限责任公司，山西 霍州 031400）

什林煤业公司井下巷道变形主要集中在掘进影响期间，掘进期间巷道围岩内频繁煤炮，为强矿压显现巷道，此类巷道顶板离层变化大、变化快。本文对强矿压显现特征、变形原因和机理进行了分析，有针对性地提出了大变形控制支护设计方案，并进行了工业性试验，支护效果理想[1]。

1 巷道强矿压显现特征及变形原因

霍州煤电集团什林煤业公司位于霍州市退沙村后沟，井田面积9.500 9 km2，保有储量7 033.0 万t，设计能力90 万t/a。在什林煤业公司井下巷道中，实体煤掘进巷道的变形较大，在掘进过程中常出现煤炮、煤壁片帮和冒顶等强矿压显现现象。分析可知，实体煤掘进巷道矿压显现的原因是受冲击载荷影响，从而造成巷道围岩破坏严重、变形量较大。什林煤业井下属于构造应力场类型，侧压系数λ=1.33～1.99，煤体强度为18～20 MPa。分析可知矿4#和5#煤层巷道大变形主要是因为巷道的支护方式不合理，无法对巷道围岩进行有效控制，导致巷道围岩变形量较大[2]。

2 巷道围岩控制思路及机理分析

当前，锚杆支护技术仍然是煤矿井下冲击性巷道的首选支护方式[3]。天地科技公司鞠文君教授[4]认为冲击矿压巷道采用锚杆支护的工作原理为：锚杆支护对巷道围岩的强度可以进行强化，能改良围岩应力状态，约束对围岩变形的破坏，吸收冲击剩余能量，可以有效降低巷道围岩的变形量。

基于冲击矿压巷道采用锚杆支护的工作原理，考虑到什林煤业井下巷道地质条件实况，提出了基于高预应力强力支护理论的支护设计方案，采用高强度强力锚固体系来保障井下巷道锚固区范围的稳定性。该支护体系具有的高延伸率，可以实现锚固区在一定程度上的连续变形[5]。

3 现场工业性试验

3.1 二采区5244 运输巷的支护设计分析

3.1.1 巷道地质与生产条件

二采区5244 工作面运输巷道埋深390～480 m，沿煤层底板进行掘进，巷道掘进断面为矩形断面：掘进宽度×掘进高度=4.2 m×3.1 m，掘进断面积13.02 m2。煤层平均厚度14.5 m，煤岩主要成分：镜煤、亮煤、暗煤和丝煤，由石英砂岩、粉砂岩、泥岩及泥灰岩组成，平均强度21.08 MPa，较坚硬。该巷道附近测点最大水平主应力、最大垂直主应力、最小水平主应力分别为16.53 MPa、11.34 MPa、9.13 MPa。

3.1.2 巷道支护设计

针对在该类型巷道支护设计中采用锚杆支护容易失效问题[6]，在5244 工作面运输巷顶板支护设计中采用全锚索支护设计方案，可施加较大预紧力，可形成锚固区稳定、延伸率大的支护系统。主要支护参数设计如下：（1）顶板使用Ф22 m、长5.3 m钢绞线，间排距为1100 mm×1000 mm；托板采用高强度拱形托板，规格300 mm×300 mm×16 mm，初始张拉力不小于300 kN。（2）两帮采用Ф20 mm、长2000 mm 玻璃圆钢锚杆，间排距1100 mm×1000 mm，配合高强度托盘调心球垫和减磨球垫，锚杆托板采用高强度拱形托板。（3）顶板使用双层网鱼鳞状搭接，联网使用14#号铁丝，双股铁丝拧扣；两帮使用单层14#号铁丝网护表。5244 工作面运输巷支护设计布置情况如图1 所示。

图1 5244 工作面运输巷支护设计布置示意图 (单位：mm)

3.1.3 矿压监测及分析

5244 工作面运输巷支护后，对该巷道表面变形情况进行矿压监测，结果如图2。从巷道表面变形监测结果可知，该巷道变形经历了剧烈期和稳定期两个阶段，在整个期间顶板下沉量约140 mm，两帮移近量近60 mm，顶板下沉量和两帮移近量数值较小，全部在巷道围岩变形的可控范围内，对比同类型巷道围岩变形量降低65%左右。

图2 5244 工作面运输巷表面变形情况

3.2 三采区W4205 运输巷的支护设计分析

3.2.1 巷道地质与生产条件

三采区W4205 工作面运输巷埋深316.1～350.3 m，该巷道沿煤层底板进行掘进，巷道掘进断面为矩形断面：掘进宽度×掘进高度=4.2 m×3.1 m，掘进断面积13.02 m2。煤层平均厚度7.5 m，煤岩主要成分：镜煤、亮煤、暗煤和丝煤，由石英砂岩、粉砂岩、泥岩及泥灰岩组成，平均强度为19.13 MPa，较为坚硬。该巷道附近测点最大水平主应力、最大垂直主应力、最小水平主应力分别为9.50 MPa、9.23 MP、5.17 MPa。最大水平主应力方向N48.4°W，巷道布置方向为N90°W，因此受地应力的影响较大。

3.2.2 巷道支护设计

从W4205 工作面运输巷煤层的实况可知，煤岩变形以离层和碎胀为主。因此针对这一情况，该巷道采用顶板锚杆配合W 钢护板联合支护，主要参数设计如下：

（1）巷道顶板采用Ф20 mm、长度2400 mm左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆，屈服强度500 MPa，锚固方式：采用每孔2 支锚固剂，1 支CK2335 药卷，1 支K2360 药卷，预紧扭矩不低于300 N·m，锚杆间距900 mm，排距900 mm；采用高强度拱形托板，规格150 mm×150 mm×10 mm；采用W 钢护板，规格450 mm×280 mm×4 mm，中间圆形孔规格为Ф50 mm。两帮采用Ф20 mm、长度2000 mm 的圆钢树脂锚杆，锚杆杆体屈服强度大于235 MPa，抗拉强度大于375 MPa，锚固方式：采用每孔1 支K2360 药卷锚固剂，预紧扭矩不低于200 N·m，锚杆间距1100 mm，排距900 mm；采用高强度拱形托板，托板规格120 mm×120 mm×8 mm，钢筋托梁规格：SB-14-3300-3。

（2）顶板锚索材料为Ф18.9 mm、1×7 股高强度低松弛预应力钢绞线，长为6300 mm，每隔一排打三根锚索，间距1400 mm，排距1800 mm， 锚索锚固剂：每孔使用1 支CK2335 锚固剂和2 支K2360 锚固剂，锚索的护表构件变为高强度拱形托板，规格为300 mm×300 mm×16 mm，初始张拉力不低于250 kN。W4205 工作面运输巷支护布置情况如图3 所示。

图3 W4205 工作面运输巷支护布置示意图(单位：mm)

（3）巷道全断面联网使用14#铁丝网护表，双层网鱼鳞状搭接。

3.2.3 矿压监测及分析

W4205 工作面运输巷支护设计方案完成并实施后，对该巷道锚杆受力情况进行了监测，监测结果如图4 所示。从图中数据可知，顶板锚杆平均预紧力35 kN，帮锚杆平均预紧力为40 kN。顶板锚杆处于15～25 m 区域内，平均预紧力突增，25～80 m 区域内，平均预紧力位于稳定的60 kN。帮锚杆整体的平均预紧力变化幅度较小，基本稳定在55 kN。从上述数据可知，巷道锚杆受力情况正常，支护方案安全系数较大。

通过该巷道表面变形情况监测显示，在整个变形期间，顶板下沉量约为120 mm，两帮移近量近70 mm，顶板下沉量和两帮移近量数值较小，对比同类型巷道围岩变形量降低71%左右。

图4 锚杆受力变化情况

4 结论

针对什林煤业公司巷道掘进初期煤炮频紧，巷道矿压显现强烈、变形速度快、规律复杂，以离层为主的特点，设计了大变形控制支护设计方案，在二采区5244 运输巷采用全锚索强力支护、在三采区W4205 运输巷采用高预应力锚杆锚索组合支护工业试验，巷道围岩的变形量得到有效控制，对比同类型巷道变形和离层值均下降了65%以上，支护设计方案合理，降低了支护成本，提高了掘进效率。