多次采动影响巷道高预应力桁架锚索支护技术

姚志强

（晋能控股煤业集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

1 工程概况

晋华宫矿位于山西大同，开采大同煤田北东位置，井田内赋存10 层煤，目前矿井主采7-4#煤、11#煤、12#煤，11#煤8709 工作面属于该盘区内最后一个工作面，煤层赋存稳定，煤层厚度2.2～4.5 m，平均3.3 m，煤层倾角1.5°～4.5°，平均3°，煤层整体呈一单斜构造，工作面布置5709 回风巷、2709运输巷，工作面与同煤层8707 工作面相邻，煤柱宽度设计25 m。上部为上煤层7-4#煤8709 工作面。11#煤直接顶为3.3 m 厚的灰黑色炭质泥岩，基本顶为2.2 m 厚的灰白色粗砂岩，直接底为8.2 m 厚的灰白色细砂岩。11#煤8709 工作面距上煤层7-4#煤8709 工作面（开采厚度1.4 m）平均垂距约32 m。根据采掘计划，5709 回风巷将受到上煤层7-4#煤8709 工作面、邻近8707 工作面以及本工作面重复采动影响，巷道极易出现严重的变形破坏现象，巷道维护成为制约工作面快速开采的关键因素。

2 高预应力桁架锚索支护系统原理

锚杆（索）支护具有成本低、劳动强度低、安全性好的优点，成为我国煤矿巷道主要的支护形式之一[1-5]。高预应力桁架锚索支护系统是采用桁架和专用锁具将两根倾斜布置的锚索连接在一起，两根锚索同时施加高预紧力，采用的专用锁具向顶板岩层水平方向和竖直方向形成一定的挤压约束力，促使锚固区岩层处于多向挤压。高预应力桁架锚索支护系统原理见图1，该系统以巷道肩角深部坚硬稳定岩层作为锚固承载区域，高预紧力通过设置的同轴式连接紧缩器对拉预紧，使其在巷道顶板形成多向预应力，巷道围岩应力得到明显改善。高预紧力、桁架结构、锚索良好的延伸率使该系统具有“先刚”、“先抗”、“后柔”、“后让”的支护特点，尤其适用于多煤层采动影响巷道围岩稳定控制[6]。

图1 高预应力桁架锚索支护系统原理[6]

3 高预应力桁架锚索支护技术

基于晋华宫矿11#煤5709 回风巷生产地质条件，结合高预应力桁架锚索支护系统原理，开发适用于多次采动影响巷道的高预应力桁架锚索支护技术。巷道为矩形断面，尺寸4.5 m×2.8 m（宽×高），具体支护参数如下：

1）顶板采用“锚杆+单体锚索+桁架锚索”支护。顶锚杆规格为长度2.0 m、直径18 mm的左旋螺纹钢高强锚杆，每排布置6 根，其中中间4 根垂直于顶板施工；两侧锚杆以与水平夹角65°～75°施工，每根锚杆配套1 支MSCK2330、2 支MSZKZ 2330 树脂锚固剂，保证锚固长度不小于0.9 m；配套10 mm厚的规格110 mm×110 mm的钢板托盘，间排距1 000 mm×1 000 mm。锚杆采用3 mm厚的W钢带连接，钢带规格3 500 mm×220 mm。顶单体锚索规格为长度6.3 m、直径15.24 mm的钢绞线，锚索孔深6.0 m，每排布置1 根，垂直于顶板施工，每根锚索配套1 支MSCK2360、2 支MSZKZ 2360 树脂锚固剂，保证锚固长度不小于1.8 m；配套16 mm厚的规格400 mm×400 mm的钢板托盘，排距4 000 mm。桁架锚索采用2 根长度6.3 m、直径15.24 mm的钢绞线，锚索孔深5.0 m，配套专用的桁架和锁具，两侧锚杆以与竖直夹角20°施工，底部跨距2 100 mm，排距4 000 mm，预紧力不低于120 kN，具体巷道支护参数见图2。

2）巷帮采用锚杆支护。锚杆规格为长度2.0 m、直径18 mm的左旋螺纹钢高强锚杆，每根锚杆配套1 支MSCK2330、2 支MSZKZ2330 树脂锚固剂，保证锚固长度不小于0.9 m，三花布置，间排距1 500 mm×1 000 mm，帮锚杆配套10 mm厚的规格110 mm×110 mm的钢板托盘和5 mm厚的规格450 mm×280 mm的W钢带，具体巷道支护参数见图2。

图2 5709 回风巷支护断面

4 巷道围岩控制效果分析

采用高预应力桁架锚索支护技术在晋华宫矿11#煤5709 回风巷进行了150 m的现场工业性试验，采用应力传感器监测了本工作面回采期间巷道煤柱帮应力变化，同时监测了巷道顶板和两帮的位移收敛情况。

图3为实测工作面回采巷道煤柱帮应力变化情况。由图可知，随着工作面的推进煤柱受到的支承应力逐渐增加，并随煤柱帮深度的增加呈先增加后减小的趋势；巷道应力峰值最大约为25 MPa，应力集中系数超过了3.0，峰值距煤柱帮4.0 m；在距巷道煤柱帮12 m左右，煤柱帮应力与原岩应力接近，约7.5 MPa；表明煤柱帮中部煤体处与稳定范围，煤柱较好地控制了巷道的稳定，表明了煤柱宽度设计的合理性以及支护技术和参数的可靠性。

图3 5709 回风巷煤柱帮应力变化情况

现场试验的150 m范围内巷道受上煤层7-4#煤8709 工作面采动影响，巷道的顶板岩层最大下沉量约80 mm，两帮围岩最大移近量约90 mm，巷道采动影响较小；受邻近8707 工作面采动影响，累积下沉量约160 mm，两帮围岩移近110 mm，累计移近量约200 mm，受工作面重复采动，巷道围岩变形加剧；受工作面自身采动支承应力影响，巷道的顶板岩层下沉50 mm，累积下沉量约210 mm，两帮围岩移近130 mm，累积移近量约330 mm；受工作面多次采动影响巷道变形量持续增加，而未采用该技术的巷道顶板岩层最大下沉量达500 mm，两帮出现严重的片帮现象，底鼓剧烈。综上表明，巷道受多次采动影响，巷道围岩变形量持续增加，采用高预应力桁架锚索支护技术和参数区域巷道整体变形量较小，围岩控制效果良好，所采用的技术优越、参数合理性。

5 结语

晋华宫矿11#煤5709 回风巷受多次采动影响，巷道出现严重变形破坏，为此，提出了高预应力桁架锚索支护系统原理。该系统可使顶板岩层处于形成多向挤压状态，有效改善巷道围岩应力环境；同时，高预紧力、桁架结构以及锚索良好的延伸率使其具有 “先刚”、“先抗”、“后柔”、“后让” 的支护特点。基于此，采用高预应力桁架锚索支护技术，在晋华宫矿11#煤5709 回风巷现场应用后监测了煤柱帮应力和巷道变形情况，验证了煤柱宽度设计以及高预应力桁架锚索支护技术参数的合理性和优越性，具有现实推广意义。