慈林山矿复合软弱顶板下锚网索主动支护技术应用

王 磊

(山西潞安矿业集团 慈林山煤业有限公司慈林山煤矿，山西 长子 046605)

长期以来，我国一直是以煤炭作为主要消费能源的国家，也是世界上产煤量第一的国家。虽然能源结构逐渐向绿色转变，但国民经济的快速发展离不开能源的支撑，再加上我国的能源赋存结构特征决定了短期内我国以煤为主的能源结构不会改变[1-2]。我国煤炭以井下开采为主，需要掘进大量的地下巷道，因此服务期内巷道的稳定控制直接影响到煤矿的正常生产，巷道支护经过木支护、砌碹支护、架棚支护、锚杆支护等阶段[3-4]。锚网索主动支护技术是采用主动预紧的方式，通过对巷道围岩的主动约束，形成主动锚固结构，改善围岩力学性能，从而实现支护围岩协同控制，大量工程实践证明了锚网索支护具有支护效果好、成本低等优点，目前已将广泛应用于我国大中小矿井，有些矿井煤巷锚网索支护已达到100%[5-7].

1 工程概况

慈林山矿9109运输巷沿煤层布置，服务于9109工作面。工作面开采9号煤层，工作面北部与9107采空区相邻，南为实体煤，东部为矿井边界，西部与9号煤水平大巷相连。9109运输巷采掘平面示意如图1所示。工作面开采范围煤层呈单斜构造，煤层平均倾角4°，煤层平均厚度1.6 m，呈黑色、镜煤条带状。煤层结构简单，工作面顶板岩性主要为粉砂岩、泥岩、中粒砂岩、泥质灰岩，底板岩性主要为粗粒砂岩、粉砂岩、石灰岩。9109运输巷顶底板岩性特征见表1所示。慈林山矿9109运输巷设计矩形断面，巷道掘宽4 300 mm，掘高2 400 mm.根据顶底板岩性特征可知9109运输巷顶板为复合软弱岩层，支护难度较大。

图1 9109运输巷采掘平面示意

表1 9109运输巷顶底板岩性特征

2 复合软弱顶板下锚网索主动支护技术

2.1 复合软弱顶板下巷道围岩控制思路和原则

慈林山矿9109运输巷顶板为泥岩、中粒砂岩、泥质灰岩复合结构，顶板岩层互层现象明显，岩性松软，自身承载能力较低，在采掘扰动下，易出现局部冒顶现象。这里特提出复合软弱顶板下巷道围岩控制思路和原则。

1) 浅部软弱顶板岩层主动强化。9109运输巷顶板2.1 m范围内为泥岩、中粒砂岩、泥质灰岩复合结构。通过对锚杆施加一定的预紧力，对复合软弱顶板岩层进行主动约束，促使复合软弱顶板岩层形成主动锚固结构，实现改善围岩力学性能、增强复合软弱顶板岩层承载能力的目的。

2) 利用深部坚硬岩层承载能力。9109运输巷复合顶板上部存在5.5 m的坚硬厚层状粉砂岩。采用长锚索将复合软弱顶板岩层形成主动锚固结构主动悬吊至厚层状粉砂岩岩层，充分利用深部坚硬岩层承载能力。

3) 支护参数及组件相互匹配。根据巷道围岩条件选用合理的支护参数，同时配套相互匹配的锚固剂、金属网、钢筋托梁等组件，形成完整的巷道支护体系。

2.2 复合软弱顶板下巷道锚网索主动支护技术

9109运输巷顶板为赋存2.1 m厚的复合软弱岩层，复合顶板上部存在5.5 m的坚硬厚层状粉砂岩，承载性能良好，设计提出复合软弱顶板下巷道锚网索主动支护技术，具体如下：

1) 巷道顶板采用锚杆+锚索+钢筋托梁+金属网支护。锚杆采用钢号335号、直径20 mm、长度2.2 m的左旋无纵筋螺纹钢筋制作而成。锚杆间排距1.0 m×1.2 m，每排5根，每根锚杆配套1支MSCKB2335(里)、1支MSZ2360(外)树脂锚固剂，配套规格150 mm×150 mm×10 mm、强度235 MPa的高强度托板，锚杆钢筋托梁连接，钢筋托梁采用直径14 mm、强度235 MPa的圆钢焊接制作，锚杆预紧力矩300 N·m，锚索采用直径18.9 mm、长度6.3 m的1×7股钢绞线制作，锚索居中布置，排距3.6 m，每根锚索配套1支MSCK2335(里)、2支MSZ2360(外)树脂锚固剂，配套规格300 mm×300 mm×16 mm、强度235 MPa的可调心托板，锚索张拉预紧力不低于45 MPa，金属网采用10号铁丝编织、网格规格50 mm×50 mm的经纬网，金属网长4.5 m，宽1.2 m.

2) 实煤体帮采用锚杆+钢筋托梁+金属网支护，锚杆规格与顶板支护一致，锚杆间排距1.1 m×1.2 m，每排3根，采用钢筋托梁连接，锚杆预紧力矩240 N·m，金属网采用10号铁丝编织、网格规格50 mm×50 mm的经纬网，金属网长2.3 m，宽1.2 m.

3) 工作面帮采用玻璃钢锚杆支护，锚杆采用直径20 mm、长度2.2 m的玻璃钢制作，间排距1.1 m×1.2 m，每排3根，每根锚杆配套1支MSZ2360树脂锚固剂，预紧力矩100 N·m.

3 巷道围岩控制效果

将提出的复合软弱顶板下巷道锚网索主动支护技术应用于慈林山矿9109运输巷掘进支护中，同时，采用十字监测法监测了9109运输巷围岩变形情况，每掘进50 m设1个测站，分别在巷道顶、底板和两帮的中部各布置1个测点，采用细线和卷尺进行测量巷道表面围岩的相对距离，据此反算出巷道相对移近量，巷道支护断面图如图2所示，变形曲线如图3所示。由图可知，9109运输巷掘巷后围岩变形可分为快速失稳阶段、失稳调整阶段和稳定阶段。

图2 9109运输巷支护断面图(mm)

图3 9109运输巷围岩变形曲线

快速失稳阶段是9109运输巷掘进初期(45 d内)，围岩出现快速失稳；围岩变形速度集中在1.5～2.5 mm/d，失稳调整阶段在9109运输巷掘进45～90 d内；失稳现象得到调整，围岩变形减缓，围岩变形速度集中在0.5～1.5 mm/d；稳定阶段发生在巷道掘进90 d后，围岩结构逐渐稳定，围岩变形速度趋于0 mm/d.9109运输巷掘进稳定后，巷道顶板、工作面帮、实煤体帮变形分别为178 mm、158 mm、117 mm.由于工作面帮采用玻璃钢支护，支护轻度较弱，变形相对较大，巷道整体变形均在可控范围内。综上所述，复合软弱顶板下巷道锚网索主动支护技术实现了慈林山矿9109运输巷的稳定控制。

4 结 语

1) 以慈林山矿9109运输巷为工程背景，提出了浅部软弱顶板岩层主动强化、利用深部坚硬岩层承载能力、支护参数及组件相互匹配的复合软弱顶板下巷道围岩控制思路和原则，基于此，开发了复合软弱顶板下巷道锚网索主动支护技术。

2) 复合软弱顶板下巷道锚网索主动支护技术在9109运输巷进行了应用后，巷道掘进90 d围岩稳定，巷道顶板、工作面帮、实煤体帮变形分别为178 mm、158 mm、117 mm，实现了慈林山矿9109运输巷的稳定控制。