深井薄基岩区域高预应力锚网支护技术研究

余 飞 毛 东 李伯乐

（焦作煤业集团赵固（新乡）能源有限责任公司，河南 辉县453634）

赵固一矿位于焦作煤田东部、太行山南麓。矿井西南距焦作市50km，东南距新乡市39km，东北至辉县市17km，行政区域隶属河南省新乡市辉县市。井田含煤面积43.77km2，总资源储量3.73 亿t,可采储量1.65 亿t。矿井于2009 年5 月正式投产，设计生产能力240 万吨，2015 年核定生产能力为300 万吨。

赵固一矿主采煤层为二1 煤，煤层埋深641.2～643.1m，上覆第四系和新近系松散地层厚度为450.5～514.3m，平均482.4m；根据《河南省焦作煤田赵固一矿井田勘探报告》以及现场实际揭露的地质、水文情况，顶板基岩厚度25.5～115.7m，平均44.81m，基岩厚度较薄。矿井属低瓦斯矿井，煤层为Ⅲ类不易自燃煤层，煤尘无爆炸危险性，水文地质类型极复杂。

1 工程概况

1.1 巷道位置及煤层情况

巷道位置及四邻采掘情况：16021 工作面上顺槽位于矿井西北翼，所属西六盘区，布置于二1 煤层，煤层厚度7.15～6.34m，平均为6.69m，煤（岩）层赋存稳定，产状为S30～50°W∠3°～7°，煤层结构简单。16021 工作面上顺槽西为已回采结束的16011 工作面，东为16031 工作面（未掘进），南为16021 工作面联络巷、北翼三条大巷和F25断层尖灭端。

1.2 工作面地质条件

根据已回采16011 工作面、已掘进16021 工作面联络巷顶板基岩实际勘查、矿井三维地震及地面勘探钻孔显示：16021 工作面上顺槽二1 煤层上覆第四系、新近系巨厚松散地层，厚度450.5～504.3m，平均厚度477.4m。根据实际勘探及地质资料，预计该巷道顶板岩性为极易风化的泥岩，基岩厚度为36.2～41.2m，平均厚度37.5m。

顶底板地质情况：伪顶为泥岩，厚度0～3.5m，平均厚度1.3m；直接顶为砂质泥岩，厚度2.0～7.6m，平均厚度4.3m；老顶为中粒砂岩，厚度4.9～18.6m，平均厚度11.9m。直接底为泥岩、砂质泥岩，厚度14.2～16.2m，平均厚度15m；老底为L9灰岩，厚度1.3～1.8m，平均厚度1.5m。

2 支护设计

2.1 支护设计理论选择

矿井通过多年的生产实践，形成了以锚杆、锚索支护为主、多种支护方式共存的巷道支护局面。但受深部开采、厚松散层地层及薄基岩扰动影响，围岩应力场复杂，地应力高。在深井高地应力的作用下，巷道围岩体发生根本变化，围岩蠕变明显，扩容现象显现突出，表现为围岩内部节理、裂隙缓慢张开，新裂纹的产生导致围岩体积增大，扩容膨胀。煤岩体的冲击性表现剧烈，具有突然性，不是逐渐变化的。巷道收缩变形明显，存在前掘后修局面，严重制约安全生产。

目前国内深部巷道围岩控制理论主要有冯豫等提出的“联合支护理论”；孙晓明等提出的“巷道耦合支护技术”；康红普等提出的“高预紧力、强力支护理论和支护系统”；牛双建等提出的“初期主动柔性支护、中期刚柔耦合动态加固技术”等，均在不同地质条件下实现了深井锚网巷道围岩的有效控制，并为本次工程设计提供理论借鉴。

本文结合赵固一矿厚松散层地层、薄基岩等复杂地质条件，根据矿井实际测定的巷道围岩地质力学参数，分析高地压巷道围岩变形与破坏机理，支护系统控制围岩变形的作用。依据高预紧力、强力支护理论和支护体系的基础上，在原有巷道支护设计上进行优化。着重提高支护系统的初期支护刚度与强度,保持围岩的完整性,减少围岩强度的降低，达到减小两帮移进和底鼓，避免二次返修、扩刷，并应用于工程实践。高预应力、强力支护理论要点如下:

a.高预应力一次性支护。巷道围岩变形主要为不连续变形和连续变形，不连续变形表现为结构面离层、滑动、裂隙扩容等；连续变形表现为巷道围岩的弹性变形、锚杆（索）锚固区的整体变形等。由于煤岩体结构面的强度一般比较低,因而巷道开口掘进后,围岩结构面的不连续变形先于连续变形。因此大幅度提高锚网支护的初期预应力参数、强度，能够有效控制巷道围岩变形离层，达到一次支护到位,最大限度地保持围岩完整性,保障围岩的稳定性。

b.高预应力的扩散原则。锚网支护体系中预应力支护主要用于控制锚固区围岩的离层、裂隙等变形、扩容。使巷道煤岩体处于受压状态,抑制围岩拉伸、剪切及弯曲变形的出现,使围岩成为承载的主要受力体。围岩控制的时机是决定主动支护还是被动支护的参数。选用匹配的支护构件，能够实现高预应力的扩散性和及时性，扩大高预应力的作用范围，提高锚网支护的整体强度及完整性，最大限度地发挥整体支护作用。

根据以上支护理论原则，选择相互匹配的支护构件，升级锚杆（索）体、张拉机具及配套的拱形高强托板和W钢护板，使得锚杆预紧扭矩由原有200N·m 提高至300N·m，锚索预紧力由原有200kN提高至300kN。

2.2 支护参数

根据高预应力支护设计原则，采用锚网支护，具体支护设计参数如下：16021 工作面上顺槽设计全长1150m，巷道为矩形断面，宽度5200mm、高度3900mm，净断面积20.28m2。

图1 巷道断面支护图

图2 5m 及650m 观测站变化图

顶板采用锚网支护，锚杆采用MSGLW-500 型无纵筋左旋螺纹钢高强锚杆，规格φ20×2400mm，间排距800×800mm，每排7根(其中两肩窝为φ17.8×4200mm 锚索，其余5 根为锚杆)，中间5根锚杆垂直于顶板打设，两肩窝锚索外扎10°打设。锚杆螺母为M20 高强度螺母，配合使用减摩尼龙垫圈、高强拱形托板及可调节球型导向垫，高强拱形托板规格150×150×10mm，拱高不低于36mm，托盘承载能力不低于210kN。同时采用配套W钢护板，规格450×280×5mm，勒高不低于25mm。每根高强锚杆使用2 支Z2350 型树脂锚固剂锚固，扭矩不低于300N·m，锚固力不低于150kN，螺母外露长度10～50mm。每根锚索使用3 支Z2350 型树脂锚固剂锚固，预紧力不低于200kN，锚索外露长度150～250mm。

除锚网支护外，采用槽钢梁锚索与点锚索补强支护，锚索规格φ21.6×8300mm，每间隔1 排锚杆打1 排补强锚索，槽钢梁锚索与点锚索交叉布置，槽钢梁锚索每排4 根，点锚索每排3 根，呈“4-3”布置方式，间排距1400×1600mm；点锚索垂直顶板打设，槽钢梁锚索两侧两根外扎10°打设，中间两根垂直顶板打设。点锚索垫板采用300×300×14mm高强度可调心托板及配套锁具，高度不低于60mm，承载能力不低于550kN。每根锚索使用4 支Z2350 型树脂锚固剂锚固，预紧力不低于300kN，锚索外露长度150～250mm。

帮部采用锚网支护，每排打设5 根锚索，锚索规格：φ17.8×4200mm，间排距900×800mm，中间部分锚索垂直巷道帮部煤体打设，肩窝及底脚锚索分别上扎、下扎10°。每根锚索使用3 支Z2350 型树脂锚固剂锚固，预紧力不小于200kN，锚索外露长度150～250mm。

巷道全断面铺设钢筋冷拔焊接网，金属焊接网规格φ6×2100×1190mm，网孔尺寸70×70mm，网片搭接宽度不少于3 格，每间隔不大于2 格用14#铅丝双股双排绑扎，铅丝必须旋拧不得少于3 圈，拧紧拧牢，铅丝头指向煤（岩）体表面。支护设计图如图1 所示。

3 矿压观测

3.1 矿压观测方案

为监测巷道围岩稳定性，主要进行顶底板及两帮变形量观测，间接分析巷道变形情况。现场具体采用巷道表面位移观测法及顶板离层指示仪进行观测，观测站建立要求如下：

3.1.1 表面位移观测法。a.每个站建立四个观测点（顶点一个、底点一个、两帮各一个）。b.“顶点”建立在顶板中线位置，用铁丝弯制挂钩固定在顶板金属网上；“底点”建立在顶点正下方，在底板上埋设木撅，并在木撅上钉钢钉；“帮部点”建立在与顶、底点同一断面内的巷道帮部，距底板高度1.5～1.8m 位置，用铁丝弯制挂钩固定在帮部金属网上（受设备等影响时测点位置可适当调整）。

3.1.2 顶板离层仪观测法。顶板离层仪观测法选用WBY-13 指示型顶板离层仪，监测深度分别为2m、6m、9m。

观测站建立原则：巷道开口掘进后，开口5m 范围内必须建立1 个观测站，之后观测站按照50m 间距进行布置。如遇地质构造及地应力异常区，新增设观测站。观测站进行挂牌管理，安装前10 天内每天观测一次，10 天后每旬观测一次。

3.2 矿压显现情况

通过矿压观测变化数据分析可知，巷道从开始掘进至工作面回采结束，顶板最大变化量110mm，平均变化量40mm；底板最大底鼓量350mm，平均底鼓量170mm；巷道两帮收缩量最大200mm，平均收缩量103mm；巷道围岩整体变形量较小，围岩控制效果较好。（图2）

4 结论

赵固一矿上覆巨厚松散地层，煤层埋深大，顶板基岩薄，巷道围岩形变强烈，以往巷道支护设计难以满足实际生产需要。实践证明,在16021 工作面上顺槽实施高强度、高预应力锚网支护设计，大幅度提高锚网支护的预应力参数。有效的控制了巷道围岩变形离层,避免了围岩松动区的扩大,保障了围岩的整体完整性与稳定性，实现巷道自掘进至回采结束，无明显形变的目标。既满足巷道支护的可靠性要求，又避免巷道二次返修，在实际施工中取得了新的突破，具有推广应用价值和借鉴意义。