中底层巷道锈结再生顶板锚网支护技术实践

刘世峰 焦作煤业集团赵固（新乡）能源有限责任公司

目前国内厚煤层开采的采煤方法主要有：分层、大采高一次采全厚、放顶煤等，受煤体节理裂隙发育程度、煤层顶板岩性、煤体硬度等条件影响，大采高一次采全厚和放顶煤开采存在较大的局限性，分层开采仍然是一种适应性较强、应用较为广泛的一种采煤方法[1-3]。随着开采深度的不断增加，巷道开挖后围岩的支护应力逐渐增大，底分层巷道如何增加支护强度，提升支护效果成为底分层能否实现高效回采的关键[4,5]。

在厚煤层采用分层时，在顶分层回采过程中，顶板自然垮落并进行铺网、洒水，一般经过3 个月以上压实锈结后形成再生顶板，然后沿人工假顶进行巷道开挖。由于传统的底分层巷道一般采用工钢梯形棚进行支护，支护强度较低，在构造带、交叉点等应力增高区或受采动影响时，巷道变形量较大，尤其在工作面回采过程中，超前压力影响范围内巷道上方已断裂的老顶岩块出现二次旋转，巷道压力急剧增大，极易出现较大变形[6-10]。

为此，赵固一矿以11052 工作面顺槽支护为工程背景，通过钻孔窥视、围岩结构分析、锚索锚固工艺研究等，提出了底分层巷道“架棚一次支护+锚索二次补强”的联合支护技术，并在11052 上下顺槽进行了成功应用，取得了良好的支护效果，可为类似条件下底分层巷道围岩控制提供借鉴。

一、工程概况

（一）工作面概况

赵固一矿位于焦作煤田东部、太行山南麓，井田含煤面积43.77km2，总资源储量3.73 亿t，该矿井核定年生产能力300 万t，矿井采用立井单水平盘区式开拓，主采二叠系山西组二1 煤层，倾角2～6°，煤厚5～7m，平均厚度5.29m。11052 工作面位于矿井东一盘区，该盘区均采用分层开采（分上下两层），其中11052 对应的顶层工作面11051 于2010 年4 月回采结束。11052 工作面设计采宽168m，走向长度1172m，煤层倾角-3°～8°。

（二）工作面顶底板岩性

工作面开采范围煤层顶板存在一层均厚约0.4 m 的泥岩，直接顶为均厚1.77m 的泥岩和砂质泥岩，老顶为均厚12.37 m 的大占砂岩；直接底为均厚12.4m 的砂质泥岩，老底为均厚1.9 m 的L9 灰岩，工作面顶底板岩性如图1 所示。11051 顶层工作面开采后，伪顶、直接顶、老顶先后垮落，经过压实锈结，形成11052 工作面开采顶板。

二、中底层巷道变形破坏原因分析

受中底层巷道布置空间位置、围岩结构、应力分布等因素影响，分析中底层巷道易出现变形破坏的原因主要有以下几个方面：

1.中底层回采巷道一般采取内错或外错形式布置，巷道空间位置处于顶层工作面区段煤柱的附近。受顶层工作面回采影响，工作面区段煤柱中的垂直应力和平行于中心线方向的水平应力呈现集中趋势，煤柱中心的应力明显高于原岩应力，且煤柱两侧边缘附近出现明显的塑性区域，从而造成布置在该区域的中底层巷道变形破坏。

2.中底层巷道的顶板为上分层工作面回采后垮落的破碎岩石重新压实、稳定、胶结而成的再生顶板，整体性差，不易形成结构，具有明显的非连续介质破碎体或块裂体的性质[10]。

3.传统的工钢棚式支护，支护强度低，工钢棚一旦出现变形，总体稳定性和强度出现急剧下降，造成巷道出现整体失稳。

三、垮落锈结顶板锚网支护理论分析

传统的锚杆（索）支护理论有“悬吊理论”“组合梁理论”“组合拱理论”“减跨理论”“扩容-稳定理论”等，其中组合拱理论认为在巷道围岩的破裂区中，安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力，如果沿巷道周边布置的锚杆间距足够小，各个锚杆的压应力锥体相互交错，这样使巷道周围的岩层形成一种连续的组合带（拱），它使巷道围岩由原来支架上的“荷载”变成了“承载”结构，从而实现巷道支护的目的。

基于“组合拱理论”支护原理，如果中底层巷道锈结假顶上方存在可锚固的相对完整岩层，则可通过施工顶板锚索对巷道松散软软顶板进行加固，从而实现支护巷道的目的。

四、11052工作面顶板结构窥视

为掌握底分层工作面顶板结构，对11052 工作面顶板进行了钻孔窥视，窥视结果如图2 所示，为确定合理的锚固层位及锚索长度提供依据。

图1 工作面顶底板岩性情况

图2 钻孔窥视图

由图2 可以看出，11052 工作面顶板2m 以下顶板极其破碎，孔壁存在大量空洞，2～6m 段孔壁相对完整，但裂隙较为发育，6m 以上范围孔壁比较完整，只存在少量纵向裂隙，初步判断顶板上方6～8m 范围可作为锚索锚固段。

五、11052工作面顺槽支护形式

11052 工作面顺槽沿人工假顶掘进，梯形断面，采用“工钢棚+锚网索”联合支护。（见图3）

工钢棚支护：工钢棚采用12#工钢加工，顶梁长3.8m，棚腿长3.6m，棚距600mm，棚腿扎脚900mm，巷道净高3.2m，棚后全断面裱褙荆棍和菱形金属网。

帮部锚网索支护：帮部锚索规格φ17.8×4200mm，间排距1200×1200mm。锚索托盘规格为200×200×16mm，锚索预紧力不小于200kN。

顶板锚索梁补强支护：顶板锚索规格φ21.6×8300mm，间排距1200×1200mm，锚索预紧力不小于200kN，槽钢梁采用14#槽钢加工，槽钢梁平行巷道中线方向布置。

图3 11052顺槽支护断面图

六、顶板锚索施工工艺流程

浅部大钻孔配合套管护壁→深部小钻孔施工→锚索锚固→安装槽钢梁→一次张拉预紧→二次张拉预紧。具体施工步骤如下：

图4 中底层顶板索结构示意图

1.浅部大钻孔施工

由于顶板以上2m 范围内岩层极其破碎，直接施工锚索钻孔经常出现塌孔现象，成孔非常困难。为解决此问题，主要采取套管护壁的方式解决，具体操作为：顶板以上2m 范围内采用φ50mm 钻头进行钻孔施工，然后安装内径40mm 的PVC 管进行护壁。

2.深部小钻孔施工

由于顶板以上2～8m 范围岩层相对完整，直接采用φ28mm 钻头施工至设计孔深（8m）。

3.锚索锚固

钻孔施工完成后，使用Z2350 锚固剂进行锚索锚固，每根锚索设计3 支锚固剂，锚固长度1.5m 以上。如果钻孔破碎，适当增加锚固剂数量。

4.安装槽钢梁

一组锚索锚固完成后，安装槽钢梁，槽钢梁采用14#槽钢加工，梁长3m，一梁三索，锚索孔间距1.2m。

5.一次张拉预紧

槽钢梁安装完成后，使用锚索张拉机具对锚索进行预紧，设计预紧力不小于200KN。如果巷道顶板锚索锚固段空隙较多，锚固效果难以保证时，采取顶板注化学浆加固或施工注浆锚索的方式进行解决。

6.二次张拉预紧

顺槽顶板锚索施工完成后，在工作面回采过程中，由于受采动影响，顶板继续压实，顶板锚索梁会出现松动。要求在工作面超前50m 范围内对顶板锚索进行二次预紧。

图5 自制钻头及PVC套管

七、实施效果

自2019 年以来，赵固一矿已累计实施顶板锚索支护巷道5150m，均取得了良好的支护效果。顺槽顶板锚索的成功实施，巷道支护强度大大提升，巷道支护面貌得到彻底改善，实现了中底层工作面顺槽零返修，并以锚索梁补强支护代替传统工作面原有的“单体柱+π 型梁”超前支护，实现了无单体柱超前支护。两巷支护效果的提升为工作面高效回采奠定了基础，自去年以来赵固一矿中底层工作面单日最大回采进度10.8m，月度最大推进度达到200m 以上。同时中底层顶板锚索在赵固一矿的成功实践也为类似条件下其他矿井中底层工作面顺槽巷道支护提供了可借鉴的经验。