深井厚层复合顶板大断面煤巷锚杆支护技术

doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2009.04.018

能源技术与管理2009年第4期

深井厚层复合顶板大断面煤巷锚杆支护技术

章人波1，张久锋2，韩国将3(1.淮南矿业集团顾桥煤矿，安徽淮南232000；2.华润电力内蒙五间房煤电开发总指挥部，内蒙古锡林浩特026000；

3.山西煤炭运销集团公司东大煤矿，山西晋城048000)

［摘

要］针对深井厚层复合顶板高地压大断面煤巷的条件，通过分析巷道特点和数值模拟，

得到科学合理的锚杆支护方案，在现场工程实践中取得了良好支护效果，满足煤矿安全生产要求，为该类煤巷支护提供了一定的参考价值。

［关键词］深井；厚层复合顶板；煤巷

［中图分类号］TD353+.6［文献标识码］B［文章编号］1672蛳9943(2009)04蛳0046蛳03

组成。复合顶板互层多，厚度薄，没有稳定的老顶砂岩层，控制顶板岩层离层失稳的难度非常大。

（3）根据首采面上顺槽的情况来看，巷道顶板岩层极易风化破碎，在支护上对护表材料的强度要求高。

（4）根据现场调研评估，煤质较为松软，煤层中含有软分层，煤层赋存情况整体压力较大，帮部软弱煤层自身强度较低，巷道帮部的稳定性控制难度大。

（5）根据已掘的首采面上顺槽的情况看，掘进迎头围岩赋存条件变化十分频繁，施工管理难度大。

（6）巷道走向距离较长，要求服务和维护时间较长，对支护强度及维护的长时稳定性有较高的要求。

（7）在煤层较厚的巷段，松软的底煤和复合底板在近乎无约束状态将发生明显的底鼓破坏，目前尚无简洁合适的底板控制技术，只能通过加强两帮及底角来减缓底鼓，不能从根本上控制底板变形，控制底鼓的难度大。

综上分析，1113(3)轨道顺槽属于深井厚层复合顶板高地压大断面软岩巷道，两帮及顶底板的控制难度都很大，顶板的安全状况差，因此支护技术难度大。

1基本地质概况

1113(3)工作面周围及上下煤层均未开采。工作面煤层赋存稳定，钻孔揭露13-1煤层厚度3.61~5.07m，平均厚度4.16m，倾角为3°~10°，平均5°。煤层顶板含两层夹矸，平均厚度0.2~0.4m；煤层中含有软分层，呈土状，手可以捻碎。工作面综合柱状图如图1所示。

图11113(3)工作面综合柱状图

2巷道维护特点3

3.1

深部锚杆支护的关键技术

（1）巷道埋深较大，接近-600m，属于深井巷道，从已掘的首采面上顺槽来看，地压大，且巷道断面大，支护难度大。

（2）巷道为典型的大断面厚层复合顶板巷道，顶板由砂质泥岩、粘土岩、炭质页岩及薄层的砂岩锚杆承载性能强化技术

（1）超高强材料。采用IV级锚杆专用螺纹钢加工而成的高性能锚杆，抗破断强度高，支护刚度大，针对软岩急剧膨胀扩容产生的高应力控制效果会更好，可体现超高强材料、大刚度附件(M型

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或T型钢带、大托盘、冷拔电弧金属网)、加长锚

固、超高预紧力的技术思想。

（2）新型阻尼螺母。能提供较大扭矩，与高性能预拉力锚杆配套，提高锚杆安装过程的可靠性，保证支护系统整体安全可靠。

（3）高预紧力。采用MQS-90J2型气扳机可以实现锚杆80~100kN的高预紧力，有效增加锚杆对巷道围岩支护初期的控制作用，提升锚杆支护的作用级别。3.2

锚索补强技术

大直径钢绞线、400mm×400mm的大托盘，增大护表面积，防止围岩挤压破损，将对松散层裂破碎岩体起到较好的维护效果。3.3

关键部位加强技术

（1）厚层松软复合顶板锚索梁支护系统加强。强化顶板承载性能，减弱厚层复合顶的离层下沉，同时反向张拉厚层复合顶板，使顶板岩层趋向于巷道两帮位移，有效预防厚层复合顶板瞬间沿巷道两帮突然垮冒现象的发生。

（2）松散煤帮的加固。采用点锚索、锚索梁或桁架增加帮部围岩的支护强度，增强帮部围岩承载能力，有效控制深部巷道高垂直应力下对帮部围岩的破坏变形。

（3）点柱加强。在巷道中间位置支设木点柱，不仅可以使大跨度巷道增加一个中间的支撑点，起到明显的承载梁减跨效应，而且还可以有效控制底板鼓起，同时对顶板的离层垮冒起到直观外显和早期的预警作用。

4

数值模拟

4.1

模型的建立

根据1113（3）的资料，运用FLAC2D建立分析模型，如图2所示。

图2数值模拟模型

采用如图2所示的平面应变计算模型来模拟

巷道围岩的变形过程，将围岩视为分层各向同弹性介质。计算模型尺寸长×宽=50m×31.5m，巷道宽×高=5.0m×3.5m。模型的左、右及下边界均为位移固定约束边界，上边界为应力边界，按上覆岩层厚度施加均布载荷。4.2模拟方案

巷道顶板为典型的复合顶板，层数多，厚度大，且巷道断面大，控制顶板岩层离层失稳的难度非常大，按照煤巷层状顶板的预应力结构理论［1,2］，模拟方案为：顶板锚杆长度选择为2.8m，锚索长6.3m，每排三根；帮部锚杆选取长度2.5m。4.3模拟结果分析

掘进和回采期间巷道周边最大位移如表1所

示。

表1

不同期间巷道周边最大位移

mm

位移量掘进期间回采期间顶板下沉量87.39420.6底鼓量262.0357.2左帮移近量88.18418.9右帮移近量

88.40

420.8

由表1可以看出，掘进期间巷道顶板下沉量

不大，顶板锚杆和锚索发挥了重要作用，锚杆和锚索通过较高的预应力作用于顶板，使得复合顶板的各个岩层形成了预应力承载梁结构，抗剪强度和抗变形能力大大提高，并有效的向巷道两帮深部分解应力，从而维护了顶板的稳定。巷道两帮在掘进期间的变形量也不大，一方面是由于帮部锚杆发挥了巨大的抗变形作用，另一方面是由于顶板锚杆和锚索的存在，把垂直应力向巷道两帮部分解，从而抵消了部分水平应力。

回采期间，巷道在超前应力的影响下，巷道在回采期间巷道的位移量明显增大，顶板下沉量急剧增加，底鼓破坏的趋势也非常明显，巷道两帮的位移更加剧烈，但是巷道围岩整体的稳定性还在可控范围内。

根据数值模拟结果分析，该模拟方案可以满足大断面厚层复合顶板巷道围岩整体结构稳定性的支护需要。

5支护方案

巷道顶板采用7根IV级左旋螺纹钢超高强预拉力锚杆加4.8m长M5型钢带、钢塑复合网联合支护，锚杆规格为Ф22-M24-2800mm，每根锚杆用Ф30mm钻头打眼、两节Z2380型中速树脂

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药卷加长锚固；锚杆间距750mm，排距800mm。

巷道两帮采用5根II级左旋螺纹钢等强预拉力锚杆加3.2m长M5型钢带、钢塑复合网联合支护，锚杆规格为Ф20-M22-2500mm。每根锚杆采用一节Z2380型中速树脂药卷加长锚固；锚杆间距为750mm，排距为800mm。

在顶板每排锚杆中间位置布置一套高预应力锚索梁桁架，钢绞线规格为Φ17.8mm×6.3m，钢绞线下铺设3.4m轻型槽钢,槽钢上三眼间距1.5m。眼孔深度6.0m，中间的一根锚索与顶板垂直，两边的两根锚索与顶板夹角30°，每孔采用三节Z2380中速树脂药卷加长锚固，以保证锚固效果；预紧力80~100kN，锚固力不低于200kN。锚索梁桁架紧跟迎头施工。

顶/帮破碎处，施工单体锚杆配大托盘加强支护，采用加长锚固方式，每根锚杆采用两节/一节Z2380型中速树脂药卷锚固。顶板不平整时锚索梁桁架改为打单体锚索配搭配大托盘施工，每排3根单体锚索，锚索布置位置不变，最中间的一根锚索垂直顶板打眼安装，两边的两根锚索向巷道两帮带30°角度打眼施工，锚索锚固要求不变。巷道超高导致帮部钢带离底板超过300mm时，要求在巷道下方沿走向铺钢带打锚杆，锚固要求不变。支护示意图如图3所示。

图3锚杆索支护参数

6支护结果分析

巷道试验期间，主要观测顶底和两帮移近量。

巷道在掘进后的一周内，顶板下沉速度和两帮相对移近速度都比较大，巷道表面位移急剧增大；一周以后，围岩移近速度变慢，巷道表面位移缓慢增加；一个月以后，围岩处于稳定状态。

顶板最大下沉量为88mm，两帮最大移近量为220mm，与数值模拟结果相吻合，支护安全可靠，不需返修，能够满足安全使用要求，达到了预期的目标。

7结论

（1）深部锚杆支护技术上可行，安全上可靠，保证了深井大断面厚层复合顶板巷道的安全稳定。

（2）数值模拟结果揭示出的掘进和回采期间围岩变形规律与理论分析相吻合，并很好的指导了现场实践。（3）支护方案达到了预期的目标，巷道支护效果良好，两帮及顶板下沉量满足煤矿安全生产要求，给该类煤巷支护提供了一定的参考价值。

［参考文献］

［1］张农,高明仕.煤巷高强预应力锚杆支护技术［J］.中国

矿业大学学报,2004,33(4):524-527.

［2］李桂臣，张农，刘召辉，等.煤巷预应力桁架锚杆支护

技术［J］.采矿与安全工程学报,2007,24(2):150-1.［作者简介］

章人波（1982-），男，江西高安人，助理工程师，2004年毕业于河南理工大学采矿工程系，现工作于淮南矿业集团顾桥煤矿生产技术科。

［收稿日期：2009-01-06］