湖西矿井深部复杂高应力巷道支护及工程实践★

郑铁骑 薛华俊 曾奕杰 刘 康 孔 杰

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083;2.华能煤业集团，北京 100000)

0 引言

改革开放以来，随着国家经济的不断发展，煤炭在我国能源消耗体系中占有的主导地位一直没有发生改变，对煤炭资源的需求量也在不断的增加，浅部煤炭资源已慢慢走向枯竭，许多矿井已经着眼于深部开采。伴随着开采深度的增加和煤炭赋存条件的复杂、多变，以及煤炭开采条件的不可选择性，开采环境呈“三高一扰动”趋势，即高地应力、高地温、高渗透压、强烈开采扰动，多数矿井在生产和建设过程中都面临着不同程度、不同数量的深部复杂高应力巷道开掘和维护问题，这都导致深部复杂条件下的巷道支护和控制围岩变形的难度越来越大，特别是对于那些服务年限较长的准备巷道和开拓巷道，需解决一系列深井巷道的施工、维护问题，比如巷道自稳时间短、变形大、难维护、返修率高等。加之多数深埋巷道断面较大，巷道变形破坏的影响因素复杂，在支护设计过程中，需认真考虑多方影响因素的严重程度和作用机理。湖西矿深井巷道通过实验室FLAC3D数值模拟，对巷道支护方式进行了分析和实践，并在现场应用中取得了很好的效果，为其他深埋巷道支护积累了丰富的经验［1-6］。

1 工程概况

山东省岱庄生建煤矿湖西矿井地面位于昭阳湖区王庄附近，目前积水深度1.5 m左右，矿井周围芦苇丛生，局部为鱼塘，地面无其他建筑(构)物。湖西矿一采区31102上顺槽巷道，地面标高+32.9 m 左右，巷道埋深 －750 m ～ －820 m，净宽 4.5 m，净高4.0 m。31102上顺槽巷道井下位于胶带大巷西北侧，从31102回风巷1号导线点前52 m开门，第一段以45°48'32″方位角施工930 m;遇到DF3断层后，以315°48'32″方位角施工第二段，长度约60 m;然后以45°48'32″方位角施工第三段，长度约190 m。东南方向隔胶带、轨道大巷保护煤柱为正在回采的31101工作面，其他侧为未采区。巷道所处3上煤层属于下二叠统山西组的煤层，最大厚度7.00 m，平均煤厚3.66 m。3上煤层直接顶以粉砂岩、泥岩为主，厚0.52 m～10.50 m;老顶中粒砂岩、细粒砂岩次之，厚3.70 m ～16.50 m，含少量泥岩、粉砂岩伪顶，厚 0.20 m ～0.50 m，为中等稳定岩性顶板。直接底以粉砂岩为主，厚0.66 m～11.14 m，细粒砂岩、泥岩次之，厚0.75 m～24.00 m，含少量炭质泥岩、粘土岩、泥岩伪底，厚0.10 m～0.50 m，为中等坚固底板。

2 支护方案优化设计

由于湖西矿31102上顺槽巷道埋深达－800 m，地压现象明显，随着巷道的掘进，原岩应力重新分布，巷道围岩内出现严重的应力集中现象，巷道周边集中应力远远超过巷道围岩自身强度，如果不采取合理的支护方式，将导致巷道产生各种形式的破坏，稍有不慎，将造成重大人员伤亡和财产损失，故分析湖西矿深部围岩变形破坏规律，提出合理的支护方式，降低巷道围岩变形量，采用优化支护参数，有效控制巷道围岩变形量及底臌量非常重要［7，8］。

2.1 支护材料选择

31102上顺槽巷道支护要求选用具有高强度、高刚度的支护材料，阻止直接顶塑性变形与老顶离层，避免发生破坏。巷道支护采用20MnSi螺纹钢+锚尾强化而制成的全螺纹等强锚杆，直径22 mm，长度2 200 mm，杆体屈服强度(141.5)不小于100 kN，杆体抗拉强度(215.8)不小于160 kN，杆体延伸率不小于15%。锚索直径19.8 mm，屈服力为350 kN～463.9 kN，破断力为480 kN～500 kN，延伸率不小于4.5%。金属网采用菱形金属网。锚杆(索)锚固采用树脂药卷，巷道顶部锚杆(索)锚固采用K2350型锚固剂，帮部锚固采用K2850型锚固剂。锚杆(索)金属托盘采用屈服强度大于235 MPa的钢材或球墨铸铁制作，W钢带托盘采用Q235A以上的钢材制作。托盘φ≥110 mm，厚度不小于8 mm，球形托盘规格尺寸不小于φ100 mm。W钢带托盘外形尺寸与W钢带内尺寸相吻合，长度不小于120 mm，托盘孔直径应比锚杆杆体直径大1 mm～2 mm。托盘三点支撑抗压强度不得低于锚杆设计锚固力。选用球墨铸铁等脆性材料作托盘时，其极限载荷应为杆体载荷1.5倍以上，并且锚索托盘强度要与锚索强度相匹配。顶板联合支护必需应用W钢带，宽度280 mm，厚度4 mm～6 mm，长度及孔位必需与锚杆间距相适应，并在两端留100 mm～150 mm的长度。

2.2 支护参数设计

31102上顺槽巷道净宽4.5 m，净高4.0 m，采用高强锚网索耦合支护技术，设计两种方案，如图1，图2所示。

图1 方案1支护方式图（单位：m）

图2 方案2支护方式图（单位：m）

支护方案1:顶板锚杆间排距为800 mm×1 000 mm，两帮锚杆间排距为800 mm×1 000 mm。顶板6根锚杆，两边锚杆距顶角250 mm;帮锚杆5根，最上部锚杆距顶板300 mm，最下部锚杆距底板500 mm。角锚杆与铅垂方向的夹角应小于10°，并应用W钢带增强顶板支护的整体性。锚索间排距为1 500 mm×2 000 mm，长度为4.5 m～12 m，锚入稳定岩层中的长度不小于1.5 m，锚索呈五花形沿巷中分布。巷道全断面挂菱形金属网，网与网压槎100 mm，每200 mm用10号铁丝联接一处。也可以在靠工作面一侧的巷道壁挂菱形柔性网，以便于采煤机截割回采。锚固采用树脂药卷锚固，锚杆及锚索锚固剂型号顶部为K2350型，帮部为K2850型，锚杆锚固长度为500×2 mm，锚索锚固长度为500×3 mm。

支护方案2:顶板锚杆间排距为800 mm×1 000 mm，两帮锚杆间排距为800 mm×1 000 mm。锚索中间打1根，排距2 000 mm，长度为4.5 m～12 m，锚入稳定岩层中的长度不小于1.5 m。巷道全断面挂菱形金属网，网与网压槎100 mm，每200 mm用10号铁丝联接一处。也可以在靠工作面一侧的巷道壁挂菱形柔性网，以便于采煤机截割回采。锚固采用树脂药卷锚固，锚杆及锚索锚固剂型号顶部为K2350型，帮部为K2850型，锚杆锚固长度为500×2 mm，锚索锚固长度为500×3 mm;也可采用一快两中锚固剂。

2.3 支护方案选取

通过对上述两种支护方案进行FLAC3D数值模拟，两种支护方案的巷道顶底板变形如图3，图4所示。

图3 支护方案1

图4 支护方案2

经模拟分析，选用支护方案1的巷道变形要小于选用支护方案2产生的巷道变形，故应该优先选取支护方案1，即:

1)巷道沿煤层顶板掘进，支护为锚网索配合钢带、钢筋梯子联合支护形式。2)顶板锚杆间排距为800 mm×1 000 mm，两帮锚杆间排距为800 mm×1 000 mm。3)锚索间排距为1 500 mm×2 000 mm，长度为4.5 m～12 m，锚入稳定岩层中的长度不小于1.5 m，锚索呈五花形沿巷中分布。4)全断面挂菱形金属网，网与网压槎100 mm，每200 mm用10号铁丝联接一处。5)锚固采用树脂药卷锚固，锚杆及锚索锚固剂型号顶部为K2350型，帮部为K2850型，锚杆锚固长度为500×2 mm，锚索锚固长度为500×3 mm。

2.4 施工工艺

1)锚索安装。巷道开挖过程本质上属于卸荷过程，此时会引起偏应力集中，为了避免顶板大变形离层断裂，锚杆应在迎头及时支护阻止大变形，锚索适当变形后安装，具体时间依据蠕变实验起始阶段的应力—应变关系和卸荷本构关系分析，根据现场围压、变形监测数据，确定支护时间及变形量。经计算，锚索滞后锚杆支护的时间为2 d～4 d，具体应结合施工动态监测变形量确定。

2)打锚杆眼。打眼前，首先按照中、腰线严格检查巷道断面规格，不符合作业规程要求时必须先进行处理;打眼前要先敲帮问顶，仔细检查顶帮围岩情况，找掉活矸、危岩，确认安全后方可开始工作，锚杆眼的位置要准确，打眼前严格按中线标好眼位，眼位误差不得超过100 mm，与巷道轮廓线或岩层面夹角不小于75°。锚杆眼深度应与锚杆长度相匹配，打眼时应在钎子上做好标志，严格按锚杆长度打眼，眼深1.9 m。打眼时，必须在临时支护后进行。打眼应由外向里，先顶后帮的顺序依次进行。

3)安装锚杆。安装前，应将眼孔内的积水、岩粉用压风吹扫干净。吹扫时，操作人员应站在孔口一侧，眼孔方向不得有人，把2块树脂锚固剂送入眼底，把锚杆插入锚杆眼内，使锚杆顶住树脂锚固剂，外端头套上螺帽，用带有专用套筒的风动搅拌器卡住螺帽，开动风动搅拌器，使风动搅拌器带动杆体旋转将锚杆旋入树脂锚固剂内，对锚固剂进行搅拌，搅拌时间为40 s，然后挂网，上盘、螺帽，预紧力矩不小于400 N·m。

2.5 安全措施

1)锚杆锚固力检测。每班对所打锚杆抽样进行锚固力检查，试验后，应及时重新拧紧螺母;如果锚杆失效应及时重新补打。a.检测前首先检查拉力计及其附件是否完整、合格，确认安全无误后方可使用。b.检测前先敲帮问顶，确定顶板安全时方可进行检测，检测时人员撤至拉力器以外约2 m进行操作，并避开锚杆拉出方向，为防止意外事故的发生，所拉锚杆正前方及下方严禁站人。c.开始加压进行锚固力检测，并注意观察压力表读数，采用分级方式进行检测，依次为 0 kN，30 kN，60 kN，90 kN，130 kN，达到设计锚固力或油缸行程结束时，打开卸荷阀进行卸荷。

2)全螺纹钢等强锚杆扭矩检测。对当班新打锚杆喷浆之前必须进行扭矩检测，每个螺母拧紧力矩应不小于400 N·m，对预紧力达不到要求的螺母应重新拧紧一遍。

3 矿压监测及数据分析

3.1 矿压监测内容

监测内容的选择必须充分考虑到巷道围岩的运动状况，从监测数据直接判断围岩是否稳定;由锚杆的工作状态判断锚杆支护参数是否合理;便于观测，易于现场测取。

1)与巷道两帮围岩稳定有关的监测指标:巷道表面收敛、围岩深部位移、锚杆受力。2)与巷道顶板稳定有关的监控内容:顶板下沉量、锚固区内外的离层值、围岩深部位移，锚杆受力及其分布状况。

矿压监测内容如表1所示。

表1 巷道综合监测内容

本次矿压观测安装表面位移观测点两处、顶板离层观测点两处、端锚锚杆(锚索)工作荷载观测点三处、测力锚杆观测点两处和再生围压观测点两处。

3.2 监测数据及分析

通过对现场两个测站的矿压观测数据分析比较，这里选取最能直接体现支护效果的巷道表面位移监测数据进行分析。图5为巷道表面位移变化曲线示意图。

通过图5可以看出，巷道顶板下沉量小于0.3 m，巷道底板底臌量不大于0.15 m，巷道两帮移近量不超过0.24 m，说明支护方案1能有效控制31102上顺槽巷道围岩变形。

4 经济效益分析

湖西煤矿31102上顺槽巷道通过采用优化的支护方案，在巷道掘进过程中，所有工作都正常开展，巷道围岩变形小，未发生过任何安全事故，实现了巷道安全高效快速掘进，并在工作面回采过程中，二次支护现象减少，为湖西煤矿创造了巨大的经济效益［9］。

图5 巷道表面位移变化曲线

5 结语

1)通过FLAC3D数值模拟和现场矿压观测数据分析，湖西煤矿31102上顺槽巷道虽处于深部复杂高应力环境中，但通过采用优化的支护方案1，巷道围岩变形量都比较小，大大减小了巷道二次支护的成本和时间。

2)随着煤炭资源开采深度的不断增加，煤炭开采环境也随之不断恶化，给煤矿巷道支护及稳定性带来了很大的难度。因此，研究深部复杂高应力条件下的巷道支护方式是保证矿井采掘深部煤炭资源的关键，湖西煤矿31102上顺槽巷道通过采用优化的巷道支护方案，产生了明显经济效益，对其他同类大断面深部复杂高应力条件下的巷道施工具有很好的借鉴意义。

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