高地应力软岩巷道支护技术研究及应用

翟 文

（神华宁夏煤业集团有限责任公司枣泉煤矿，宁夏银川750001）

摘要 矿井高应力巷道始终处于高应力状态，在巷道掘进及工作面回采过程中，易出现顶沉、底鼓、帮鼓、巷道变形等现象，巷道支护及后期维护困难。按照时间顺序，枣泉煤矿巷道支护技术先后经历三个阶段，即低强度支护、高强度支护、整体耦合让均压支护技术进行研究及应用，较好地解决了矿井高应力巷道支护的难题。

关键词 高应力 三软煤层 巷道支护

枣泉煤矿采用一矿两井联合开拓方式，东西两对斜井分别开采背斜两翼煤层，即一个矿两个井下开拓系统，共用一个工业场地和一套地面生产系统。井田内的主体构造为一个两翼对称向南倾没的碎石井背斜，其轴线在平面上的走向近乎南北。矿井主采2煤煤层，煤层平均厚7.88 m；煤层顶板岩性多为泥岩，底板为砂质泥岩和粉砂岩。由于地应力复杂多变，地质条件变化不断，因此优化支护参数，确保安全、有效的巷道安全支护技术至关重要。

1地质概况

1.1矿井主要地质构造赋存概况

井田内的主体构造为一个两翼对称向南倾没的碎石井背斜。其轴线在平面上的走向近乎南北，轴面直立，轴部地层产状3°～5°。两翼地层产状一般为15°～36°，东北角东翼深部可达40°～45°，平均地层产状小于25°，地层走向与轴向一致，总的近似南北向。在井田北部发现落差大于20～30 m的断层有3条，其性质已控制和查明。按地质力学观点，灵武矿区处于祁吕贺山字型构造的脊柱中段部位，故构造线方向均以南北向或近南北向为主。自北往南，构造趋向复杂，多数褶皱因受后期断层切割破坏，加剧了构造的复杂程度。矿井断层构造复杂多变，构造应力呈现出由北向南、由背斜轴向两翼递增的趋势，矿井水平及结构应力复杂多变。

1.2二煤煤层及顶底板概况

矿井主采二煤煤层，二煤全井田普遍发育，分布广，层位稳定，全井田可采，是井田内最主要的可采煤层，煤层平均厚7.88 m；二层煤厚度变化小，结构单一，少数钻孔含1～3层夹矸，属稳定煤层。煤层顶板岩性多为泥岩，底板为砂质泥岩和粉砂岩。二层煤普氏系数为0.83%，属于软煤。砂质泥岩、泥岩、炭质泥岩虽为厚层状，V级结构面罕见，易风解，属不稳定类围岩。泥岩、砂质泥岩等岩芯露天放置五天则呈碎块状。

1.3水文地质概况

井田水文地质分区不明显，地下水补给来源贫乏，岩层富水性除火区烧变岩、碎石井沟富水区外，一般均属含水弱的或微弱的岩层。二煤煤层上有两个含水层，处于一煤层上部的第Ⅲ含水层，属于孔隙裂隙层间承压水，愈接近地面区域受大气降水补给影响加大，是回采期间的主要出水水源。二煤层至直罗组砂岩之间的延安组地段为含水较弱的第Ⅳ含水层，是回采期间的次要出水水源，属于砂岩裂隙孔隙层间承压水。二煤巷道掘进施工除局部区域锚索导水外其他基本不受以上两个含水层的影响。

2枣泉煤矿巷道支护沿革

2.1原巷道支护情况简介、存在问题及改进方式

2.1.1原支护方式简介（低强度支护阶段）

开采初期，枣泉煤矿巷道支护按照工程类比法参照相邻矿井的支护参数进行巷道支护设计。枣泉煤矿110207工作面顺槽巷道支护采用锚、网、索、喷支护形式，顶板锚杆采用Φ20 mm×2000 mm BHRB335左旋螺纹钢锚杆；巷帮采用Φ35 mm×1600 mm的竹锚杆；锚杆间排距均为800 mm×800 mm，钢筋梯采用Φ14 mm的圆钢双排焊接；顶板均挂设Φ6.5 mm圆钢焊接的钢筋网；顶板沿巷道中心线左右均匀布置一排两根间距为2000 mm，排距为2400 mm单点锚索，锚索采用Φ15.5 mm×7000 mm预应力钢绞线，托梁用14#槽钢加工，长400 mm，锚索外端使用锁具锁固。喷射混凝土厚度为50 mm，强度为C20（图1）。

图1 110207工作面回风巷支护断面图

2.1.2原支护方式存在的问题

施工过程中发现Φ35 mm×1600 mm竹锚杆不能有效控制巷帮，巷道易片帮。14#槽钢锚索托梁强度低，顶板下沉时将锚索托梁两头向下压弯折回、脱落，造成锚索失效。由于初期巷道帮锚杆对巷道帮部和锚索对顶板控制效果不好，施工过程中由于局部锚索导通二煤顶板含水层，造成锚索出水。为了避免巷道顶板出水，多次将锚索长度由7m变为5m，使锚索锚固不到坚硬岩层，影响锚索支护强度。由于以上原因使顺槽巷道在掘进施工过程中频繁发生片帮、冒顶事故，110207工作面三条顺槽巷道共发生冒顶事故5次之多。其中2016年6月11日110207工作面皮带运输巷1720～1734 m段发生大面积的冒顶，冒顶范围宽4.8m，高4～7m，长14m。同时，掘进过程中期及后期巷道维护工程量大， 110207工作面三条顺槽巷道共架设2400多架工字钢棚。

2.1.3支护参数改进

针对掘进工程中巷道出现的片帮、冒顶事故。帮部锚杆竹锚杆对巷道帮部控制效果差，14#槽钢锚索托梁强度不够等问题。同时对2016年6月11日110207工作面皮带运输巷大面积的冒顶事故原因进行了认真分析（首先是二煤煤层平均厚7.88m，巷道开挖后顶板煤层剩余4.6m，泥岩厚2～3m，施工过程中由于锚索有导水现象，为了避免巷道顶板出水，将锚索由7m变为5m，造成锚索锚固不到顶板坚硬岩层或锚固到坚硬岩层深度小于1m，起不到悬吊作用。其次为巷道顶板有淋水，造成顶板炭质泥岩泥化、脱落）。矿研究决定将工作面顺槽巷道锚、网、索支护形式变更为锚、网、绗架支护形式，将顶板锚杆加长500 mm，顶板锚杆采用Φ20 mm×2500 mm BHRB335左旋螺纹钢锚杆；巷帮采用Φ16 mm×1600 mm的圆钢锚杆；锚杆间排距为800 mm×800 mm。钢筋梯采用Φ16 mm的圆钢双排焊接；顶板均挂设Φ6.5 mm圆钢焊接的钢筋网，巷道帮部挂8#铅丝编制的菱形金属网；顶板沿巷道中心线左右均匀布置一排两根间距为2000 mm，排距为2400 mm锚索绗架，锚索采用Φ17.8 mm×8000 mm预应力钢绞线，托梁用11#矿用工字钢加工，长2500 mm，锚索外端使用锁具锁固。随着开采深度增加，Φ16 mm×1600 mm的圆钢锚杆已经不能满足巷道帮部支护要求。2017年3月，将巷道帮部锚杆更换为Φ20 mm×2000 mm BHRB335左旋螺纹钢锚杆加强巷道帮部支护。并通过实验确定了Φ20 mm×2500 mm BHRB335左旋螺纹钢锚杆安装预紧力不小于300 N/m, Φ20 mm×2000 mm BHRB335左旋螺纹钢锚杆安装预紧力不小于200 N/m。

2.1.4支护方式改进后取得的效果

支护方式改进后在一定程度上对巷道帮部起到了支护效果，巷道在掘进施工过程中几乎没有发生过片帮、冒顶事故。

2.1.5存在的问题

支护方式改进后在一定程度上杜绝了片帮、冒顶事故的发生。但是巷道受二次动压影响巷道顶板下沉、底板鼓起、两帮收敛现象依然严重，凾待解决。

比如12205工作面回风巷（即110207工作面辅助运输巷）锚索托梁两头向下压弯折回、脱落，造成锚索失效，并受110207、12205综放工作面两次采动影响巷道顶板下沉、底板鼓起、两帮收敛，失修率高，见图2、图3。

图2 110207工作面回风巷受压变形图片

图3 110207工作面回风巷受压变形图片

为了确保巷道安全使用，2017年2月至2018年5月先后采用架设工字钢棚、一梁三柱、木垛、起底等方式进行了三次全面维修，投入较大，但效果均不甚理想。

2.2高强度锚杆支护阶段

为了解决枣泉煤矿原有支护形式不能满足二次动压影响及高地应力软岩等复杂困难巷道支护问题。通过地应力测试、钻孔窥视等方式确定合理的巷道支护参数，提高复杂困难煤巷支护质量。

2.2.1高强锚杆支护技术路线

巷道围岩是一个极其复杂的地质体。它具有两大特点：其一是岩体内部含有各种各样的不连续面，如节理、裂隙等，这些不连续面显著改变了岩体的强度特征和变形特征，致使岩块与岩体的强度相差悬殊；其二是岩体含有内应力、地应力场的大小和方向都显著影响着围岩的变形和破坏程度。因此，一切与围岩有关的工作，如巷道布置、巷道支护设计，特别是锚杆支护设计，都离不开对围岩地质力学特征的充分了解。因此，需要采取地应力测试、钻孔窥视等方法对围岩进行全面了解，以确保支护方式及参数选取合理化。

2.2.2地质力学测定

首先对本矿西翼采区（11采区）的11201工作面回风巷、皮带巷布置四个地应力测点，进行地应力测试。

地应力测量显示，枣泉煤矿西翼区四个测站应力场形式均为σHV型。在四个测站中，第三测站σH最大，为6.48 MPa；第一测站σH最小，最小值为2.78 MPa。四个测站侧压系数σH/σV分别为1.08、1.57、1.33和1.73。四个测站最大水平主应力方向分别为N13.6°W、N42.5°W、N80.1°W和N36.7°W。四个测站的围岩强度显示，四个测站巷帮煤体的平均抗压强度为19.94 MPa。从巷道顶板来看，直接顶以泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩和砂岩为主，四个测站顶煤的平均抗压强度为17.91 MPa，泥岩的平均抗压强度为24.16 MPa，炭质泥岩的平均抗压强度为15.5 MPa，粉砂岩的平均抗压强度在42.55 MPa，砂质泥岩的平均抗压强度为34.08 MPa，细砂岩的平均抗压强度在55.00 MPa。

2.2.3钻孔窥视情况

为了比较全面真实观察到煤岩体结构面发育与分布情况。在本矿东井（12采区）布置四个地应力测试孔，采用电子窥视仪对地应力测试孔进行了煤岩体结构的窥视。具体窥视结果如下：

第一测站窥视结果：顶板煤岩体在巷道顶板0.5m、1.4m、4.6m、5.7m和5.9m存在不同程度的破碎带，其中顶煤破碎较为严重。在7.7m处顶板岩块堵塞钻孔，在顶板7.7m以内其他观测段，煤层及岩层走向和倾向节理裂隙不发育，煤岩体结构比较紧凑节理裂隙分布不明显。

第二测站窥视结果：巷道顶煤破碎较为严重，在0.4m、1.6m、2.4m和2.9m存在破碎带。在顶板8.9m处存在少量环向裂隙。从总体上来看，巷道顶煤破碎严重，其他顶煤以上岩层完整性相对较好。

第三测孔窥视结果：巷道顶板煤体在1.2m存在破碎带，在4.3m、4.8m、6.0m和8.8m存在不同发育程度的环向裂隙，在一定程度上弱化了顶板岩层的强度，巷道围岩稳定性一般。

第四测站窥视结果：巷道顶煤破碎较为严重，在2.1m、3.7m和4.3m处存在明显的环向裂隙，在顶板3.2m和6.3m处存在破碎带，顶板稳定性相对较差。

从钻孔窥视的结果来看，各测站中巷道顶煤较为破碎，顶煤以上岩体不同程度的存在环向、纵向裂隙和破碎带，节理较为发育，顶板稳定性相对较差（图4、图5、图6、图7、图8、图9）。根据窥视结果为巷道顶板锚杆选择提供了可靠依据。

图4顶板0.4m处破碎带

图5顶板1.6m处破碎带

图6顶板2.4m处破碎带

图7顶板2.9m处破碎带

图8顶板5.4m处岩体

图9顶板8.9m处环向裂隙

2.2.4结合地质力学测试、钻孔窥视及理论验算支护参数

为了更加合理地确定巷道支护参数，利用地质力学测试数据及钻孔窥视情况，对支护参数采取了悬吊理论进行了计算校核。具体如下：

悬吊理论认为锚杆的作用是将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层中，阻止软弱破碎岩层跨落。悬吊理论只考虑了锚杆的被动抗拉作用，根据不稳定岩层厚度计算锚杆长度，根据锚杆悬吊的不稳定岩层我们重点计算锚杆直径和间排距。

依据悬吊理论分析设计方法确定了本矿巷道支护参数，工作面顺槽巷道采用锚、网、索高强支护形式，顶板锚杆采用22#-M24-2500 BHR500高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距850 mm×900 mm；巷帮采用20#-M22-2000 BHR500高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×900 mm；钢带采用W280×5型W钢带；顶板挂设Φ6.5 mm圆钢焊接的钢筋网，巷帮挂设8#铅丝编制的菱形金属网；顶板均匀布置间、排距为1800 mm×1800 mm单点锚索，锚索采用Φ21.98 mm×8300 mm预应力钢绞线，锚索托板为300 mm×300 mm×16 mm高强锰钢托板（见图10）。

图10高强锚杆支护断面图

2.2.5改进支护参数后的支护效果

使用了高强支护参数后，巷道成型明显改观，巷道没有发生过片帮、冒顶事故，巷道顶板下沉、两帮收敛都在可控范围内。但在使用过程中发现300 mm×300 mm×16 mm高强锰钢锚索托板对巷道顶帮控制效果不佳，易出现锚索之间掉包现象，单点锚索对巷道顶板整体控制效果差。为此，将单点锚索变更为锚索绗架，绗架梁采用11#矿用工字钢加工。单点锚索变更为锚索绗架后，巷道支护质量明显提高。

2.2.6存在的问题

随着巷道施工距离加长，后巷压力重新分布，围岩压力显现越来越大，煤炮冲击现象频繁，巷道出现频繁断锚杆、锚索现象。后巷补打锚杆、锚索常态化，给安全施工带来不利因素。

2.3整体耦合让均压支护阶段

2.3.1整体耦合让均压支护理论

整体耦合让均压支护是指在保证围岩掘进初期稳定的前提下，采用高安装应力控制围岩早期变形和离层。高位控制让压允许围岩有一定变形达到支护体和围岩间应力耦合，变形耦合，从而实现用较小的支护强度取得较好的支护效果。

2.3.2整体耦合让均压支护设计

（1）耦合让均压锚杆结构如图11所示：其由阻尼让均压螺母，防阻垫圈及杆体组成。其中阻尼螺母是防冲让均压锚杆的重要组成部分之一。阻尼螺母的作用有：

①锚杆安装时保证树脂搅拌均匀，在搅拌树脂时，阻尼足够大而不打开。

②搅拌树脂完毕后，树脂初凝，上紧螺母时，利用锚杆机的输出扭矩，阻尼必须很容易的打开。

③保证锚杆安装后，在给定的锚杆机输出扭矩的条件下，锚杆能获得最大的安装应力（预应力）。

图11耦合让均压锚杆结构图

（2）耦合让均压鸟窝锚索结构如图12所示。其主要由下列部件组成：钢绞线，锁具，耦合让均压装置，球垫圈，加强管，鸟窝，锁头保护套。

图12耦合让均压鸟窝锚索结构图

（3）整体耦合支护参数及施工要求：

顶板锚杆：Φ22 mm×2500 mm, Q500矿用高强螺纹钢，耦合让均压应力显示螺母，150 mm× 150 mm×10 mm高强弧形托盘。

顶板短锚索：Φ17.8 mm×4300 mm；耦合让均压装置，鸟窝，200 mm×200 mm×10 mm高强弧形托盘。

两帮锚杆：Φ20 mm×2000 mm。Q500矿用高强螺纹钢，应力显示螺母，150 mm×150 mm×10 mm高强弧形托盘+300 mm×300 mm×4 mm护帮托盘。

锚杆安装应力：顶板：4~6t；两帮：4t。

让压装置，顶板锚杆：最大让压距离30 mm，让压点：15～17 t。

顶板锚索：最大让压距离50 mm，让压点：17～20 t。

护表措施，顶板：钢筋网+W钢带。

两帮：金属网+W钢带托盘。

顶板采用W钢带，顶板W钢带尺寸为4600 mm×275 mm×4 mm。

锚索类型：整体耦合让均压鸟窝锚索。

锚索直径：21.80 mm。

让压装置：最大让压距离35 mm，让压点37～45 t。

锚索长度：8300 mm。

锚索托梁：2500 mm,11#矿用工字钢加工制作（支护形式见图13）。

图13整体耦合让均压支护断面图

2.3.3整体耦合让均压支护现场应用情况

根据现场施工情况观测，巷道内还没有出现断锚杆、锚索现象，现场施工比较方便，巷道成型好，顶板下沉、两帮收敛在可控范围内。

2.3.4整体耦合让均压支护技术要点

整体耦合让均压支护技术要点为锚杆系统和围岩耦合，锚索系统和围岩耦合，锚杆间的耦合均压，锚杆和锚索的耦合均压分配。

（1）锚杆系统和围岩耦合：锚杆支护系统的支护强度和变形性能必须与围岩耦合，以达到围岩的稳定平衡。

（2）锚索系统和围岩耦合：同样，锚索系统作为支护的一部分，其变形性能必须与围岩耦合，以达到围岩的稳定平衡。

（3）锚杆间的耦合：由于不同位置的锚杆所经受的位移和应力过程不同，其受力差别很大，这有可能引起受力大的锚杆首先破断，进而把其承载的力传替到邻近的锚杆造成锚杆顺序依次破断。

（4）锚杆和锚索的耦合：锚杆和锚索间的变形耦合也非常重要。从支护体本身来讲，锚杆和锚索存在着物理力学性质和几何尺寸的差别，这种差别如果在设计和使用过程中应用不当，会引起锚杆或锚索由于变形协调不好造成受力不均甚至破断。

2.3.5改进支护参数后的支护效果

使用了高强支护参数后，巷道成型明显改观，巷道没有发生过片帮、冒顶事故。巷道顶板下沉，两帮收敛都在可控范围内。但在使用过程中发现300 mm×300 mm×16 mm高强锰钢锚索托板对巷道顶帮控制效果不佳，易出现锚索之间掉包现象，单点锚索对巷道顶板整体控制效果差。为此，将单点锚索变更为锚索绗架，绗架梁采用11#矿用工字钢加工。单点锚索变更为锚索绗架后，巷道支护质量明显提高。

3结语

自建矿至今对高地应力软岩巷道支护技术不断进行探索研究。目前，已基本形成巷道顶板采用22#-M24-2500 BHR500高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆；巷帮采用20#-M22-2000 BHR500高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆；钢带采用W280×5型W钢带；顶板挂设Φ6.5 mm圆钢焊接的钢筋网，巷帮挂设8#铅丝编制的菱形金属网；顶板均匀布置间、排距为1800 mm×1800 mm锚索绗架，锚索采用Φ21.98 mm×8300 mm预应力钢绞线，锚索托梁为11#矿用工字钢的支护模式。

高地应力软岩地质构造对煤矿巷道支护技术要求很高，随着开采深度不断增加，软岩巷道受动压影响矿压显现十分剧烈及本矿地应力复杂等实际情况。为了实现安全、高产、高效矿井的要求，应积极开展地应力测量工作、同时借鉴各类先进的支护理念，完善高应力软岩地质构造支护体系。形成一套安全、高效、节约的支护参数，为矿井安全生产保驾护航。

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作者简介

翟 文，1976年出生，高级工程师，注册安全工程师，硕士研究生学历，主要研究领域：采矿工程、自动化，现任神华宁夏煤业集团枣泉煤矿党委书记、矿长。