千米深井大跨度煤巷顶帮桁架联合控制技术

何富连，杨绿刚，杨洪增，谢生荣，赵计生，谢国强

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院, 北京 100083;2.冀中能源股份有限公司邢东矿，河北 邢台 054001)

目前，我国大中型煤矿开采深度，每年以8～12m的速度向深部延伸，其中一些矿区已陆续进入深部开采状态。深部岩体力学性质的特殊性和赋存环境的复杂性，使得巷道大变形及垮冒、矿山动压等一系列事故频度提高，程度加剧[1]。因此，深井巷道围岩控制，是我国深部煤炭资源开采亟待解决的关键难题，亦是深部资源开采的控制性工程。

我国科研工作者对深部高应力巷道作了不少的研究[2, 3]，但由于其赋存条件和影响因素的复杂性和不确定性，其破坏机理及采取围岩控制技术均不同。本文针对邢东矿二水平(-980水平)采准巷道受高地应力、大变形和强流变性以及难维护的特点，提出了顶板桁架锚索和煤帮锚索-槽钢联合控制技术，有效控制了巷道大变形，实现了采准巷道服务期间不扩刷整修，并为邢东矿采深由千米向1200m延伸开采的巷道围岩控制提供技术支撑。

1 工程概况

邢东矿位于邢台市东北约4km，是华北地区煤层赋存最深的矿井之一。邢东矿井田地层平缓，倾角一般在10～15°之间。井田内部还发育有纵横交错的中小型断层，不同级别的断裂构造将整个井田的含煤地层切割成一系列大小不等、形状各异的断块。2223综采面主要开采山西组2#煤层，是二水平二采区跳采的第二个工作面。该工作面地面标高为+54～+57m，开采深部标高达-974m，埋深达1038m。2#煤为主采煤层，结构简单，属气肥煤。煤层赋存较稳定，煤层厚度3.1～4.3m，平均厚度3.5m，煤层平均倾角12.0°。煤层顶板多为粉砂岩或粉砂质泥岩；煤层底板主要为粉砂岩。详见图1。

图1 工作面煤岩层柱状图

2223运输巷断面为矩形，宽5.0m，高3.5m，断面积为17.5m3。2223运输巷沿2#煤层顶板掘进，为全煤巷掘进。2223掘进工作面瓦斯地质条件简单，瓦斯相对涌出量为1.05m3/t·d，属于低瓦斯。2#煤层具有煤尘爆炸性，爆炸指数为38.21%。2#煤层具有自燃倾向性。

2 邢东矿千米深井煤巷矿压显现特征

邢东矿向二水平延伸开采的深度已逾千米，深部岩体所处的地球物理环境的特殊性和应力场的复杂性，使得深部岩体特性和矿山压力显现特征发生根本性变化，主要表现形式如下：

(1)深部巷道围岩的大变形和强流变性特性。主副暗斜井二水平(-980水平)段局部断层影响区域开掘后一个月内，巷帮变形量即达1m以上，经扩刷后仍持续不断的变形。为了维持这两条主要巷道的正常运行，邢东矿专门安排一队工人对这两条巷道进行不间断的整修，严重影响了邢东矿安全高效集中生产。二水平2221综采面的运输巷在其服务期限内，对该巷道进行了一次大规模的扩帮整修，局部地段进行了多次扩帮整修。

(2)高地应力作用。冀中能源邢东矿在向二水平(-980水平)延伸的过程中，由于千米深井的高地应力作用，支护系统中出现锚索被拉断、锚索托盘严重弯曲、顶锚杆尾部断裂及托盘损坏等现象。

(3)深部地应力场的复杂性和地质构造。-980集中运输巷的断层DF10区域发生严重冒顶事故，冒高达9m，严重延误二水平二采区的采掘工作；-980集中运输巷与断层相邻区域的巷道顶板出现了严重下沉(下沉量达1.0～1.7m)，导致邢东矿计划在该区域运输巷顶板中重开一段岩巷。

深井煤巷破坏冒顶和急剧变形，严重威胁矿工安全并影响通风、瓦斯、运输和行人，导致巷修工程量大及人财物大量耗费，制约矿井安全高效生产。深井煤巷的围岩控制，已成为邢东矿安全高效生产亟待解决的科技难题。

3 深部巷道围岩控制对策

研究表明[3]，深部高地应力巷道采用“先刚后柔再刚、先抗后让再抗”的支护思路，能最大限度地保持围岩完整性和减少围岩强度的降低。本文针对邢东矿深部巷道围岩急剧变形失稳的特征，提出相应的控制对策。

3.1 采用高预应力强力锚杆支护系统

(1)高强度、大延伸量长锚杆

预应力锚杆支护的主要作用，在于控制锚固区围岩的离层、滑动、新裂隙生成等变形，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，在锚固区内形成刚度较大的预应力承载结构。提高锚杆支护系统初期支护刚度、强度以及长度，能有效控制围岩塑性区及破碎区发展，保持较大范围围岩的完整性。锚杆自身具有的延伸性，允许围岩有一定程度的连续变形，使高应力得以释放，提高巷道围岩稳定性。因此，千米深井煤巷顶板采用φ22mm×3000mm左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，帮锚杆为φ18mm×2500mm 20硅锰螺纹钢锚杆。

(2)增大锚杆预紧力

锚杆预应力及其扩散对支护效果起着决定性作用[4]。增大锚杆预紧力能显著减缓深部巷道围岩强度弱化，减小围岩塑性区及破碎区的范围，有利于保证巷道围岩的稳定。因此，邢东矿千米深井锚杆支护系统中的顶锚杆预紧力矩大于450N·m，帮锚杆预紧力矩大于250N·m。

3.2 改进锚索支护系统

(1)改善锚索性能

现场实践表明，常规的低延伸率的七丝锚索已不能适应邢东矿千米深井的支护需求。根据深部高地应力巷道支护思路，邢东矿千米深井巷道必须采用大直径、大延伸量和具有高破断载荷的锚索，才能适应深部巷道围岩大变形，实现让压。邢东矿千米深井煤巷顶板采用φ21.8mm×8500mm，延伸率达7%的单体锚索加强支护。针对高地应力作用，单体锚索采用组合托盘，托盘自上至下依次为400mm×400mm×10mm(长×宽×厚)刚托盘、200mm×200mm×35mm的木垫板和200mm×200mm×10mm(长×宽×厚)钢托板夹，利用木垫板进一步提升单体锚索让压能力。

(2)改进支护系统结构

研究和实践表明，现有传统的锚杆(索)支护系统主要应用悬吊原理，已不能完全有效解决高地应力煤巷、软弱破碎围岩等复杂条件下的巷道支护难题。因此，本文提出了顶板桁架锚索系统和煤帮锚索-槽钢桁架系统联合控制技术。

千米深井煤巷顶板桁架锚索系统，是由高强高延伸率锚索和专用连接锁紧器组成，是一种能提供复向高预紧力的高可靠性外斜式凹槽型结构[5-7]，如图2所示。该系统具有适应于深部高地应力大跨度巷道支护的诸多优点，主要体现在：①桁架锚索能对顶板提供的复向高预应力，有利于顶板煤岩体处于压应力状态，提高了煤岩体强度和抗变形破坏性能，实现了对深部高地应力巷道支护的“先刚”和“先抗”；②19丝锚索的高延伸率，对顶板支护起到一定的让压作用，而桁架锚索系统锚固点在顶板弯曲下沉过程中出现适度水平内移，则实现了进一步让压，其受力合理增加且刚度匹配良好，实现了“后柔”和“后让”；③桁架锚索系统钢绞线上的载荷能连续传递，对顶板的支护力沿整个桁架结构呈“凹槽形”路径合理分布，将顶板应力向深部受压岩体内转移，减小巷道浅部围岩应力，实现顶板的良好受力状态；④形成的等强闭锁大结构增加了对顶板支护的均衡性，减少了高地应力作用下的顶板破碎，还可以防止顶板恶性变形和冒顶事故；⑤桁架锚索锚固点位于巷道两肩窝深部三向受压岩体内，为深部巷道锚索支护系统受到的高地应力作用提供可靠稳固的承载基础；⑥桁架锚索长度大、抗剪性能强，斜穿过锚固岩梁最大剪应力区且作用范围大，能有效控制顶板剪切破坏。此外，桁架锚索系统自身具有的“让压”特性，邢东千米深井桁架锚索，采用φ17.8mm的19丝锚索即能满足要求，降低了支护成本。

千米深井煤帮锚索-槽钢桁架系统，是两根高强高延伸率锚索和槽钢组成，是一种能对巷帮提供整体有效支护力的高可靠性结构，如图2所示。其主要特点如下：①两根高强锚索施加的高预紧力，通过槽钢对煤帮提供整体挤压应力，煤帮受力状态好，可有效阻止破碎区围岩的碎涨变形。②锚索长度大，调动深部围岩的承载能力，将煤帮应力向深部转移，减小煤帮浅部围岩应力，使煤帮浅部破碎围岩和深部围岩成为一承载整体。③锚固点位于煤帮深部稳定的顶底板内，不易受煤帮大变形影响，为深部巷道支护系统发挥高锚固力，提供了可靠稳固的承载基础。④巷帮桁架高强高延伸率锚索斜穿过煤帮与顶底板的“滑动面”，其自身施加的高预紧力抵消了一部分深部高地应力产生的煤岩体承受的剪应力，抗剪能力显著增强，能有效控制煤帮整体外移。

图2 2223运输巷多维主动支护原理图

4 支护方案及效果分析

2223运输巷埋深达1038m，断面为矩形布置，宽5.0m，高3.5m，断面积17.5m2。

4.1 支护形式及参数

采用理论分析、数值模拟优化及工程类比法进行的参数设计，结合该矿井的实际情况，形成了千米深井大跨度煤巷顶帮桁架联合控制技术方案，如图3所示。

图3 2223运输巷多维主动支护布置图

(1)顶板支护

顶锚杆为φ22mm×3000mm左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，每根锚杆使用两支φ23mm×600mm的中速树脂药卷锚固。间排距为700mm×800mm，靠煤帮的顶板角锚杆与铅垂线的夹角为20°，其余顶板锚杆垂直顶板布置，其相应配套构件为穹形托盘、φ14mm的钢筋梁和φ6mm冷拔丝菱形金属网。顶锚杆的预紧力矩不得低于450N·m。

顶板的锚索支护为桁架锚索和单体锚索联合支护，即桁架锚索与单体锚索交替布置，桁架锚索的排距为1.6m，在每两排桁架锚索之间打一根单体锚索，单体锚索的排距为1.6m。桁架锚索采用φ17.8mm×9500mm 19丝高强度高延伸率预应力钢绞线，锚索眼深8m，采用三支φ23mm×600mm的中速树脂药卷，桁架锚索系统的底部跨度为2.4m，锚索孔口距支护煤帮1.3m，锚索钻孔与铅垂线的夹角为20°。单体锚索采用φ21.8mm×8800mm 19丝高强度高延伸率预应力钢绞线，锚索眼深8.5m，锚固药卷采用三支φ23mm×600mm的中速树脂药卷。单体锚索交替布置在两组桁架锚索中间，且位于巷道中间位置，排距1.6m，每排一根。锚索的预紧力不得低于140kN。

(2)巷帮支护

帮锚杆为φ18mm×2500mm20硅锰螺纹钢锚杆，采用两支φ23mm×600mm的中速树脂药卷锚固，间排距700mm×800mm，其相应配套构件为穹形托盘、菱形金属网片和φ14mm的钢筋梁，帮锚杆预紧力矩不小于250N·m。

煤帮锚索采用φ17.8mm×6300mm 19丝高强度高延伸率预应力钢绞线，锚索采用三支φ23mm×600mm的中速树脂药卷。排距为1600mm，每排两根单体锚索用槽钢连接。两根帮锚索孔口距离为1.5m，下位锚索孔口距底板0.9m，下位锚索钻孔与水平线的夹角为-10°，上位锚索孔口距底板1.1m，上位锚索钻孔与水平线的夹角为20°。槽钢采用2.6m长的14#槽钢连接两根锚索，配合400mm×100mm×12mm的钢垫片和木垫片。

4.2 效果分析

为了掌握顶帮桁架联合控制千米深井煤巷的支护效果，在巷道掘进期间设置测站进行围岩表面位移进行观测，如图4所示。

图4 测站1巷道围岩表面位移

(1)由图4可以看出，在观测的五个月中，巷道断面收敛率很小，两帮移近量最大不超过245mm，顶板下沉量最大不超过124mm，巷道围岩控制效果较好。

(2)2223运输巷在开掘后15d内，收敛速度较大，之后趋于稳定，而在40d以后收敛速度增加，直至90d后重新趋于稳定。这说明在40d后，深部高应力的作用显现，但支护系统仍有效地将围岩变形控制在设计要求内，未发生支护系统损毁。

(3)在2223运输巷服务期间，未发生垮冒事故，且未对煤帮进行二次扩刷，取得了显著的技术经济和社会效益。

5 结 论

(1)顶板桁架锚索系统锚固点可靠且能随顶板弯曲下沉产生适度水平内移，实现了适应于深井高应力巷道支护的让压，且将顶板应力向深部受压岩体内转移，减小巷道浅部围岩应力，实现顶板的良好受力状态。

(2)锚索-槽钢桁架对煤帮提供整体挤压应力，使煤帮浅部破碎围岩和深部围岩成为一承载整体，且巷帮锚索斜穿过煤帮与顶底板的“滑动面”，抗剪能力强，能有效控制煤帮整体外移。

(3)采用高预应力强力锚杆支护系统、改善锚索性能及锚索支护结构的控制对策，在邢东矿千米深井大变形煤巷中得到成功应用，未发生支护系统损毁、围岩大变形及垮冒事故，取得了显著的技术经济效益，为更深部采区更高应力条件下的锚杆索支护提供技术依据。

[1] 谢和平, 彭苏萍, 何满潮. 深部开采基础理论与工程实践[J]. 北京: 科学出版社, 2006.

[2] 柏建彪, 侯朝炯. 深部巷道围岩控制原理与应用研究[J]. 中国矿业大学学报, 2006, 35 (2) : 145-148.

[3] 康红普, 王金华, 林健. 高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用[J]. 煤炭学报, 2007, 32 (12) : 1233-1238.

[4] 康红普, 姜铁明, 高富强. 预应力在锚杆支护中的作用[J]. 煤炭学报, 2007, 32 (7): 673-678.

[5] 谢生荣, 何富连, 张守宝, 等. 大断面复合泥岩顶板切眼桁架锚索组合支护技术[J]. 中国矿业, 2008, 17 (9): 90-92.

[6] 赵洪亮, 姚精明, 何富连, 等. 大断面煤巷预应力桁架锚索的理论与实践[J]. 煤炭学报, 2007, 32 (10) : 1061-1065.

[7] 杜波, 谢生荣, 何富连, 等. 厚层炭质泥岩顶板煤巷复合主动支护系统研究[J]. 煤炭科学技术, 2009, 37(2): 13-16.