深部倾斜煤层动压巷道围岩控制技术研究

李民族，赵利安

(1.山西霍州煤电集团公司，山西 临汾 031400；2.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000)

目前世界上主要矿业大国相继进入深部开采，超过1000m的矿井已有100余座，而我国2015年全国千米深井已达80余座，并且还以每年10～25m的速度向下延伸[1]。我国中东部地区的煤炭开采逐渐向深部、向复杂地质构造地区转移，大倾角煤层的开采比例越来越大[2]。鉴于深部倾斜煤层开采巷道压力增加，给支护与开采带来了很大的困难，众多学者进行与之有关的研究[2-10]。刘建刚[3]等运用理论计算和数值模拟，研究了煤层倾角和巷道形状的变化对巷道两帮应力特性的影响。王野[4]对急倾斜巷道收敛变形、顶板离层等支护效果情况及锚杆(索)锚固力进行了长期监测，结果表明在急倾斜煤层赋存条件下，采用锚网索支护是可行的。胡少轩[5]分析了大倾角煤层巷道工程地质特征，建立了梯形截面巷道围岩应力-变形分析的力学模型。王新杰等[6]对大倾角煤层巷道围岩应力分布和变形破坏进行的研究表明，大倾角煤层巷道开挖后巷道变形表现为非对称性，对大倾角煤层巷道应加强低帮中部、高帮煤岩交界处的支护强度和重视靠近低帮侧的顶底板支护。俞家新[9]介绍了垞城煤矿采用叠加应力技术、非对称变形控制技术、耦合支护技术及二次支护技术对深部大倾角含水巷道进行支护的经验。包云龙，王学红[7]，王凯[8]和李琰庆等[10]也进行了这方面的研究。上述研究，大部分研究深部开采或者大倾角煤层开采两者之一，两者兼顾的成果还缺乏。而深部倾斜煤层开采时受地质和工作面接续的影响，常常也会出现孤岛工作面，尽管诸多学者如任力[11]、陈威[12]和刘会强[13]等在孤岛面巷道支护和设计方面进行了研究，但是深部、大倾角和孤岛工作面三者同时出现情况的巷道支护的研究迄今为止还没有发现。

1 工程背景

庞庞塔矿主采5号和9号两层煤，目前矿井分布2个采区，其中一采区开采5号煤，七采区开采9号煤。庞庞塔矿5号煤层平均厚度为6.3m，煤层倾角为12°～30°。顶板为砂质泥岩，厚度2.5m，底板为粉砂岩，厚度7.3m。5号煤强度在15MPa左右，根据煤矿锚喷巷道顶板稳定性评判准则，属于Ⅳ稳定性较差岩层。5-107孤岛工作面开采煤层埋藏深度600m左右，煤层平均厚度6.3m，平均倾角25°。一采区5-107工作面以东的5-105工作面都已回采完毕，以西的5-109工作面还剩1个月回采结束。根据采掘整体安排，需尽快开采一采区的5号煤，准备开始掘进5-107工作面，该面为孤岛工作面，如图1所示[14]。

5号煤回采巷道采用锚网索的支护形式，顶锚杆采用∅22mm×2500mm屈服强度335MPa的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，帮锚杆采用∅22mm×2500mm或∅20mm×2000mm屈服强度335MPa的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，网采用12#铁丝编织而成的菱形金属网，该支护方式在埋深较大的巷道，经常出现顶板和两帮有严重网包、顶板钢带多处压穿、锚杆和锚索破断、底鼓严重的现象，巷道需要大量的刷帮起底等返修工作，严重影响了工作面的正常推进。而且，5-107工作面开采的5号煤层，煤层倾角12°～30°，厚6.3m，巷道沿煤层底板掘进，埋深大，超过600m，且巷道受侧向工作面采空产生的高集中应力和动压影响，预计巷道支护难度非常大。迫切需要研究巷道围岩控制技术，研发相配套的支护材料，确保巷道在服务期间不发生大变形，保障回采工作面安全、高效开采。

图1 5-107工作面布置

2 巷道现有支护存在的问题

2.1 支护材料

2.1.1 锚杆锚索托板

锚杆配套∅130mm×8mm拱形托板，锚杆托板形状为圆形，在井下经常出现锚杆托板压翻的现象，导致锚杆的支护能力不能得到充分发挥，同时锚杆托板与螺母为线接触，降低了预紧扭矩与预紧力的转化效率，导致锚杆预紧力低。

锚索配套350mm×350mm×16mm平托板，托板尺寸过大，托板无法与调心球垫相配套，托板易剪切锚索；锚索平托板受力较小就易发生弓背现象，承载面积减小，制约锚索预应力传递扩散范围。

2.1.2 锚杆强度不足

巷道在回采期间出现多处锚杆破断的现象，断口有颈缩，主要呈拉伸破坏，说明巷道变形压力大，锚杆的强度偏低，不能有效的控制巷道的变形。

2.1.3 W钢带

W钢带宽和厚为180mm×2mm，根据当前矿用钢带颁布标准，结合井下使用情况，存在以下缺陷：①钢带规格不符合标准规格，标准规格为宽度为200mm、240mm、280mm三种。②钢带厚度过小，井下发现多条钢带出现撕裂破断，说明在巷道压力现象强烈的巷道中使用，该厚度钢带强度严重不足。

2.2 技术参数方面

技术参数主要是锚杆锚索预应力不足。原设计时，顶锚杆预紧力要求不小于200N·m，帮锚杆预紧力要求不小于180N·m。这主要存在问题是预应力水平相对较低，对于综放大断面托顶煤巷道，属于困难支护巷道类别，要求锚杆设置预应力水平至少达到其使用材料杆体屈服载荷的30%以上[15]。锚索使用∅21.6×8300mm的7股低松弛钢绞线，根据工程实践，锚索预紧力设置需要根据巷道支护难度，以及使用锚索的强度来综合确定。对于留顶煤大断面煤巷而言，要求锚索预应力至少达到极限强度的40%以上[16]。另外，工作面大倾角因素使得支护体受剪切力大，也亟需选用高强度的锚杆及附件来支护回采巷道。

3 巷道支护优化设计

3.1 支护新材料设计

3.1.1 新型锚杆托板

新型锚杆托板选用屈服强度大于或等于195MPa的普板钢材，锚杆托板整体为正方形，中部成拱形，托板的外形尺寸为150mm×150mm，厚度为10mm。新型托板被做成可调心托板，配套调心球垫，避免托板在工作过程中受到偏载的作用，降低了托板的承载能力。

3.1.2 新型锚索托板

研发的新型方形带拱锚索托板，需符合以下加工标准：①选用屈服强度大于或等于235MPa的普板钢材，托板整体为正方形，中部成拱形，托板的外形尺寸为300mm×300mm，厚度为16mm，托板承载力应不小于与之配套索体破断力标准值的0.9倍。②需要将托板做成可调心托板，配套调心球垫，避免托板在工作过程中受到偏载的作用，降低了托板的承载能力。

3.2 巷道支护新技术设计

针对深部倾斜煤层综放孤岛面大断面巷道支护难题，提出采用及时高预紧力、强力锚杆锚索、强护表构件和强帮支护的耦合支护技术。

3.2.1 及时高预紧力支护

巷道围岩受到开挖破坏，围岩应力由三向转化成二向，并且重新分布形成新的平衡稳定状态，浅部围岩处于最不稳定状态，那么就需要通过具有高承载能力的锚杆，初期提供高主动支撑力抵御或者控制浅部围岩变形，使浅部围岩形成自身稳定的承载整体，进而控制深部围岩的变形破坏，达到控制巷道稳定的目的[17]。

3.2.2 强力锚杆锚索支护

在5-109工作面和5-105工作面两巷就已出现了很多锚杆破断的情况，可以预计5-107孤岛面动压巷道的变形压力会远大于上述普通深部巷道，锚杆锚索的受力程度也会加大。因此，现有的锚杆强度不满足要求，为了适应动压巷道的变形情况，需要引进延伸率和承载能力更高的∅21.8mm的19股钢绞线组成的锚索。通过引进新型强力锚杆锚索，提高锚杆锚索的预紧力和支护阻力，提高巷道支护强度，控制巷道变形。

3.2.3 强护表构件支护

单纯的锚杆和锚索支护范围有限，需要通过护表构件把锚杆锚索的预紧力和支护阻力传递到更远处的围岩中，护表构件的强度和刚度在很大程度上决定锚杆锚索支护效果，深部倾斜煤层综放孤岛面动压托顶煤大断面巷道支护对护表构件的要求高，如果护表构件强度和刚度不足，甚至会导致整个支护系统失效，巷道出现不可控的大变形[18]。考虑深部倾斜煤层孤岛面动压巷道在掘进时就可能出现围岩松散破碎的情况，W钢带贴顶效果不好，采用强度和刚度较高，同时对围岩条件适应性好的W钢护板配套宽钢筋托梁和8#铁丝的金属网作为护表构件。

3.2.4 强帮支护

煤层受动压影响后变得松散破碎，再加上巷道埋深大，变形持续时间长，会导致帮部移近量极大，严重时甚至两帮闭合。帮部移近量大进一步导致巷道底鼓严重，帮部移近与底鼓相互促进，巷道维护困难。因此需要加强巷道帮部支护体强度，保持帮部煤体完整性，减少帮部回缩，从而减少由于两帮移近造成的巷道底鼓[19]。在帮部采用高强长锚杆配套W钢护板和宽钢筋托梁支护，提高预紧力与支护阻力的扩散范围，必要时在帮部打设帮锚索，最终在锚杆支护范围内形成刚度较大的预应力承载结构，限制深部煤体的变形，减少帮部移近。

3.3 巷道支护参数

3.3.1 5-1071巷断面支护优化设计

5-1071巷断面设计矩形断面，掘进毛宽5.2m，毛高3.6m，掘进断面18.72m2。顶板支护方案：顶板锚杆长度增加0.1m，变为2.4m，材料改为左旋无纵筋螺纹钢筋，钢材屈服强度提高到500MPa。锚杆托板采用方形带拱高强度托板，规格为150mm×150mm×10mm，拱高不低于34mm，配调心球垫和减摩垫圈。锚杆排距调整到900mm×900mm。顶板采用∅16mm钢筋焊接的宽钢筋托梁配套W钢护板，长5050mm，宽200mm，孔间距900mm。采用∅16mm钢筋焊接的宽钢筋托梁配套W钢护板，长5050mm，宽200mm，孔间距900mm。锚杆预紧扭矩不低于400N·m。网片规格：采用10#铁丝编织的菱形金属网护顶，网孔规格为50mm×50mm，网片规格为5400mm×1000 mm。

锚索材料为∅21.8mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度6.3m，钻头直径为30mm，树脂加长锚固，采用一支CK2340和两支Z2388树脂锚固剂。锚索采用每排三根布置，排距1800mm。锚索安装在两排锚杆间顶板中部。用300mm×300mm×16mm拱形高强锚索托板，拱高不低于60mm，配调心球垫，锚索张拉预紧力为250～300kN。

巷帮支护方案为：帮锚杆杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，钢材屈服强度为500MPa，长度2.4m，配高强度螺母。采用方形带拱高强度托板，规格为150mm×150mm×10mm，拱高不低于34mm，配调心球垫和减摩垫圈。W钢护板规格：厚度4mm，宽280mm，长度450mm。采用∅16mm钢筋焊接的宽钢筋托梁配套W钢护板，长3550mm，宽200mm，孔间距900mm。锚杆预紧扭矩：不低于400N·m。网片规格：采用10#铁丝编织的菱形金属网护帮，网孔规格为50mm×50mm，网片规格为3500mm×1000mm。

锚索形式和规格：锚索材料为∅21.8mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度4.3m，钻头直径为30mm，树脂加长锚固，采用一支CK2340和两支Z2388树脂药卷锚固。锚索布置：煤柱侧帮采用每排1根布置，排距1800mm。距底板1800mm。锚索安装在两排锚杆中间。用300mm×300mm×16mm拱形高强锚索托板，拱高不低于60mm，配调心球垫。锚索张拉预紧力为200～250kN。

3.3.2 5-1072巷断面支护优化设计

5-1072巷断面设计矩形断面，掘进毛宽4.5m，毛高3.6m，掘进断面16.2m2。顶板支护方案为：顶板锚杆杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4m，钢材屈服强度为500MPa，配高强度螺母。托板采用拱型高强度托板，规格为150mm×150mm×10mm，拱高不低于34mm，配调心球垫和减摩垫圈。采用单体锚杆配W钢护板，规格为厚度4mm，宽280mm，长度450mm。锚杆排距调整到1000mm×1000mm。锚杆预紧扭矩不低于400N·m。锚索锚索材料为∅21.8mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度6.3m，钻头直径为30mm，树脂加长锚固，采用一支CK2340和两支Z2388树脂锚固剂。锚索采用“二·一·二”布置，排距2000mm。用300mm×300mm×16mm拱形高强锚索托板，拱高不低于60mm，配调心球垫，锚索张拉预紧力250～300kN。

2巷帮支护：锚杆杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，钢材屈服强度为500MPa，长度2.4m，杆尾螺纹为M24，螺纹长度150mm，配高强度螺母。锚固方式为树脂端部锚固。锚杆托板采用拱型高强度托板，规格为150mm×150mm×10mm，拱高不低于34mm，配调心球垫和减摩垫圈。W钢护板规格：厚度4mm，宽280mm，长度450mm。锚杆间排距1000mm×1000mm。锚杆预紧扭矩不低于400N·m。

4 支护优化矿压监测及分析

4.1 5-1072巷矿压监测及分析

为验证支护设计的科学合理性，以及为支护设计修正与优化提供依据，在5-1072巷设置了矿压综合监测测站，包括巷道表面位移、顶板离层、锚杆及锚索受力。锚杆测力计编号从右帮、顶板至左帮依次为1#、2#、3#…9#，共安装9组，锚索测力计编号为索A和索B，共安装2组，如图2所示。

图2 5-1072巷锚杆锚索测力计布置(掘进方向)

5-1072巷掘进期间锚杆锚索受力监测结果如图3所示。由图3可知，两帮锚杆工作载荷随着远离掘进面而呈现增长的趋势，在距迎头较近范围(50m内)呈增大趋势，掘进超过50m后锚杆工作载荷由微小增幅到稳定状态，距迎头120m时分别增加到102.58kN、167.16kN、152.65kN、168.22kN，分别占杆体屈服载荷的54%、88%、80%、89%。巷道右帮上部两根锚杆初始工作载荷分别为90.55kN和89.55kN，占杆体屈服载荷的47%；左帮上部两根锚杆初始工作载荷分别为92.41kN和104.89kN，占杆体屈服载荷的49%和55%。副巷两帮4根平均锚杆初始预应力达到了杆体屈服的50%，实现了高预应力主动支护。图中显示，顶锚杆的预紧力在40kN左右，锚杆工作载荷随着远离掘进工作面位置呈逐渐增大的趋势，在距掘进迎头较近范围(50m内)表现出稳中有升的特征，超过50m之后锚杆受力逐步由微小增幅到趋于稳定状态，至掘进面100m位置，增加至100kN左右。

图3 5-1072巷掘进期间锚杆锚索受力监测结果

锚索A和5#、4#锚杆掘进受力突变的原因是巷道顶板岩层在重力作用下发生移动和变形，产生较大的离层，引起了锚杆锚索受力突然增大。

受到临近采空侧支承压力的影响，巷道两帮矿压现象尤为突出，从锚杆工作阻力检测数据也证实了理论分析的正确性，对于受到强烈动压作用的巷道，特别加强两帮的支护强度至关重要。副巷采用高预应力强力支护有效控制了两帮围岩的活动，确保了巷道整体的稳定。

顶板两个锚索的预紧力分别为94kN和124kN，锚索受力也随着远离掘进工作面而呈增大的发展趋势，在距测站50m范围，锚索受力呈较大增幅然后渐渐呈缓慢增长事态，超过50m后呈微幅增长特征，距掘进迎头120m位置，锚索工作阻力分别为293kN和248kN，距掘进工作面240m时锚索受力基本保持稳定，在300kN左右。

在5-1072巷距开口300m、350m、410m、500m设置4个表面位移监测测站，分别编号为1#、2#、3#、4#，如图4所示，随着掘进时间推移两帮保持稳定状态，这说明5-1072巷优化设计后，巷道两帮没有变形，表明支护效果良好。

图4 5-1072两帮移近量

4.2 5-1071巷矿压监测及分析

5-1071巷共安装8个锚杆测力计和5个锚索测力计，测点布置如图5所示，监测结果如图6所示。

图5 5-1071巷掘进方向锚杆锚索测力计布置(mm)

图6 5-1071巷掘进期间锚杆锚索受力监测结果

由图6可知，5根顶锚杆(图中D1～D5)预紧后1根预紧力为75kN，另4根为38kN～47kN，测站安装5d之内(掘进40m)左右，顶锚杆受力持续增加，顶锚杆受力均达在60kN以上，两根超过130kN，之后保持稳定。3根帮锚杆(ZB1，YB1和YB2)预紧后初始受力为60kN、77kN和82kN，测站安装5d之内(掘进40m)左右，帮锚杆受力均超过80kN，之后帮锚杆受力基本平稳。

顶锚索和帮锚索预紧后初始受力在94～110kN，从锚索受力来看，安装后第二天锚索受力急剧增加，随后受力不再明显增加。5根锚索终受力3根在200kN以上，1根在190kN，另有一根在130kN，从分布来看，顶锚索受力明显大于帮锚索。

由于5-1071巷中间400m巷段成型欠佳，在该巷段安装多处巷道两帮移近测站，监测结果如图7所示。由图7可知，巷道两帮移近量在390～480mm，掘进头推过15d之内两帮移近急剧增加，15d之后仍有增加，30d之后巷道变形仍在增加，但变形速度明显降低。动压影响巷道变形持续时间较长，长时间得不到稳定。

图7 5-1071巷两帮移近曲线

巷道离层监测显示，巷内最大顶板离层量最大为38mm，大部分离层监测均大于30mm，由于顶板为煤层，受动压影响较为破碎不易成型，所以离层值普遍较大。局部巷道底鼓量在400～500mm之间。

掘进过程中，巷道现场支护及变形实际情况相较于过去5#煤回采巷道的锚网索的支护形式，新支护方式未出现以往的顶板和两帮严重网包、顶板钢带多处压穿、锚杆和锚索破断、底鼓严重等现象，巷道也无需进行大量的刷帮起底等返修工作。巷道的主要变形发生在顶帮夹角处，巷道围岩表面整体变形处于可控范围之内。

在地质条件正常地段，由于5-107工作面两巷支护效果较好，回采期间超前影响段巷道变形量不大。同时，由于有超前支架的支护作用，巷道变形主要表现为底鼓，底鼓量在600mm左右，在超前工作面70m位置顶板和帮部开始出现变形，巷道变形量增加缓慢，在超前工作面20m处顶板下沉量为160mm，在回采面位置两帮移近量在400mm左右，巷道支护效果较好，满足了工作面正常回采的需求。

5 结 论

1)研发尺寸为150mm×150mm×10mm的高强度方形带拱锚杆托板和尺寸为300mm×300mm×16mm的高强度方形带拱锚索托板，分别与∅22mm的屈服强度500MPa螺纹钢锚杆和∅21.8mm19股锚索配套，有利于提高锚杆锚索的预紧力，提高锚杆锚索主动支护围岩的能力，有利于实现锚杆锚索要施加高预紧力的目标。

2)提出深部倾斜煤层综放孤岛面高应力集中区动压托顶煤大断面巷道成套支护技术：及时高预紧力、强力锚杆锚索、强护表构件和强帮支护的耦合支护技术。

3)确定了5-1071巷和5-1072巷巷道支护参数，并进行了两巷矿压监测及分析，结果表明：巷道变形较小，优化设计后巷道围岩表面整体变形处于可控范围之内。