王丙振 趙淑紅

（1.永城煤電控股集團有限公司，河南 永城 476600；2.永城職業(yè)學(xué)院，河南 永城 476600）

受“三軟”煤層賦存條件制約及地質(zhì)構(gòu)造影響，嵩山煤礦煤巷支護一直以被動支護為主。嵩山煤礦開采煤層屬典型的“三軟”煤層，巷道缺少關(guān)鍵層承載壓力，開掘后直接體現(xiàn)為地應(yīng)力大，需頻繁維修。

1 工程概況

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

嵩山煤礦位于偃龍煤田嵩山井田中東部，嵩山背斜北翼，礦區(qū)主要構(gòu)造為斷裂和滑動構(gòu)造。開采山西組二1 煤，傾角平均15°，煤厚平均4.2 m。工作面采用走向長壁采煤法，綜采放頂煤工藝。礦區(qū)構(gòu)造對二1 煤層影響較大，在生產(chǎn)過程中體現(xiàn)為原巖應(yīng)力高、煤層組織疏松、強度極低，以面狀為主，手捏即碎，普氏硬度系數(shù)小于0.3。頂?shù)装鍘r體中含大量白云母碎片、巖屑及葉臘石類礦物等，碎裂性、膨脹性、弱膠結(jié)性、易失穩(wěn)性等突顯，屬于典型的碎塊式散體結(jié)構(gòu)。人工開挖過程中，頂板隨作業(yè)震動或風(fēng)吹隨時掉落，無自穩(wěn)時間。據(jù)礦區(qū)83 個鉆孔統(tǒng)計，二1 煤層頂板巖性以泥巖（2 m）及砂質(zhì)泥巖（7 m）為主，細粒砂巖及粉砂巖次之，局部與砂質(zhì)泥巖互層，偽頂泥巖發(fā)育，厚度1.5～2.5 m 之間；底板巖性以泥巖（1 m）和粉砂巖（5 m）為主。

1.2 原有巷道支護存在的問題

由于煤巷壓力大，礦井原采用的U36 型鋼棚（500 mm 棚距）+點柱支護形式，無法保證長距離煤巷斷面保持，因此多年來采取了特殊的采掘布置形式：即每個回采工作面均布置2 條底板巖石集中巷，經(jīng)石門分段短距離煤巷掘進（150～180 m），工作面分段回采。即便如此，短距離煤巷支架實際承載力一直呈現(xiàn)增長態(tài)勢直至屈服破壞，仍不能有效控制巷道變形，必須及時維修。據(jù)統(tǒng)計，長度為150～180 m 的順槽從掘進貫通到回采結(jié)束需翻修3～4 次，每米U 型鋼支護巷道需投入3 萬元以上。

2 三軟煤巷斷面及支護設(shè)計方案優(yōu)化歷程[1-5]

（1）2019 年4 月下旬，在2200 下順槽4#段采用“U36 鋼棚+錨索梁”進行支護試驗。試驗長度80 m，棚距500 mm，錨索按每棚4/6 間隔布置，采用Φ21.6 mm×5500 mm 錨索。巷道寬度收縮至2.6～3.1 m、巷高收縮至1.5～1.7 m 后巷道變形基本趨于穩(wěn)定，回采期間以落底為主，基本滿足使用需求。

（2）2019 年9 月，在2108 上順槽東1#段采用“U36 型鋼棚+中柱+錨索+大托盤+雙層網(wǎng)復(fù)合支護”進行支護試驗。試驗長度85 m，棚距500 mm，錨索全斷面布置8 根，肩窩以上采用Φ21.6 mm×7300 mm 錨索，兩側(cè)采用Φ21.6 mm×5500 mm 錨索，效果優(yōu)于“U 型鋼棚+錨索梁”支護。

（3）2019 年11 月，在2108 上順槽東1#段通尺96～114 m 段（18 m）采用“單體柱+π 型梁+錨網(wǎng)索+高強T 型鋼帶”進行支護試驗。巷道寬度收縮至2.6～2.8 m、巷高收縮為1.5～1.7 m 后巷道變形基本趨于穩(wěn)定，幫部錨索破斷較多，經(jīng)分析為底鼓后受剪切力破斷。對該段巷道進行沿空留巷試驗，留巷平均寬度2.5 m，平均高度1.3 m，較理想。

（4）2020 年3 月，在2108 下順槽東2#段及改造巷采用“U36 型鋼棚+長短錨索+大托盤+雙層網(wǎng)”進行支護試驗。試驗長度共計330 m，取消中柱，棚距600 mm，全斷面錨索8 根/6 根間隔錨索，棚棚施工錨索。該段巷道寬度收縮至2.4～2.9 m、巷高收縮為1.6～2.1 m 后巷道變形基本趨于穩(wěn)定。受工作面采動影響，巷道底鼓嚴(yán)重。

（5）2020 年6 月，在2108 上順槽東2#段采用“架棚+錨索+注漿錨索”進行支護試驗。試驗長度150 m，普通錨索與注漿錨索按8/4 根交替布置。回采期間巷道變形嚴(yán)重，注漿段巷道失修，效果較差。

（6）2020 年4 月開始，在2200 下順槽外段采用“半圓拱鋼棚+雙向拉伸護幫網(wǎng)、菱形網(wǎng)+鐵背板+錨索”進行支護試驗。試驗長度460 m，棚距700 mm，錨索按10/8 根間隔布置，根據(jù)煤厚采用5.3～6.3 m 錨索?；夭善陂g動壓區(qū)巷道變形較嚴(yán)重，回采期間以落底為主，基本滿足使用需求。

（7）2020 年5 月開始，在2200 上順槽外段采用“三心拱+雙向拉伸護幫網(wǎng)、菱形網(wǎng)+鐵背板+錨索”進行支護試驗。試驗長度496 m，棚距為700 mm，錨索按8/7 根錨索交替布置，依據(jù)煤層厚度采用長度5.5～7.3 m 錨索。頂板塑性變形較嚴(yán)重，回采期間局部巷道發(fā)生返修，其余以落底為主，基本滿足使用需求。

3 2112 上順槽實施方案及效果

2112 順槽巷道設(shè)計長度840 m，沿二1 煤層底板掘進，上幫破矸500 mm。該區(qū)域煤層傾角平均15°，平均煤厚3.78 m，普氏硬度系數(shù)小于0.3，直接頂為3.0 m 厚泥巖，基本頂為3.13 m 砂質(zhì)泥巖和1.42 m 細砂巖，直接底為1.2 m 砂質(zhì)泥巖。斷面規(guī)格為：凈寬（拱基線處）×凈高=4800 mm×3500 mm，掘進高度為3750 mm，掘進寬度為5200 mm（起拱線位置），掘進斷面面積16.8 m2，凈斷面面積14.5 m2，外扎角5°，內(nèi)扎角85°，柱窩深200 mm。采用“半圓拱鋼棚+雙向拉伸護幫網(wǎng)、菱形網(wǎng)+鐵背板+錨索”支護形式，具體如下（圖1）：

圖1 2112 上順槽支護斷面圖（mm）

（1）鋼棚支護。鋼棚為4 節(jié)結(jié)構(gòu)，采用U36型鋼加工，棚腿與頂梁搭接長度為400 mm，頂梁之間搭接長度為400 mm，搭接處使用3 副卡纜（搭接端部使用限位卡纜）和1 副簡易連板（頂板連板安裝在北側(cè)卡纜間）；采用塑料護幫網(wǎng)、Φ8 mm菱形網(wǎng)配合鐵背板（寬50 mm、長900 mmU36 型鋼加工）背設(shè)，塑料護幫網(wǎng)在內(nèi)層，菱形網(wǎng)在外層。背板頂部間距300 mm，幫部400 mm。棚距為650 mm，卡纜螺栓扭矩300 N·m，柱窩深200 mm。頂部和兩幫的背板應(yīng)與巷道中線平行，背板兩頭要穿過鋼梁。背幫、背頂材料要緊貼圍巖，不得松動或空幫空頂。頂幫有空洞時，可用荊笆（800 mm×400 mm）或背木填實背嚴(yán)（不妨礙打設(shè)錨索）。

（2）全斷面錨索支護。鋼棚架設(shè)完成后，在后巷棚襠間打設(shè)錨索進行補強支護。錨索采用第一輪、第二輪隔棚交替施工的方式打設(shè)。錨索打設(shè)要求正頂端部卡纜處打設(shè)1 根，頂部兩端卡纜左右500 mm處、兩幫上卡纜向上350 mm 處、兩幫下卡纜向下350 mm 處、兩幫底板向上500 mm、1100 mm 處各打設(shè)1 根錨索。頂部、幫部錨索規(guī)格均采用Φ21.6 mm×7300 mm，每根錨索使用1 支MSK2350、2 支MSZ2350 型錨固劑，預(yù)緊力200 kN，錨索外露長度150～200 mm，錨索托盤采用廢舊U 型鋼加工而成，托盤規(guī)格：450 mm（長）×260 mm（寬）。綜掘時錨索第一輪要求滯后迎頭不超過10 棚，錨索第二輪要求滯后迎頭不超過15 棚。

4 支護參數(shù)校核

（1）錨索鋼絞線長度計算

鋼絞線長度按照式（1）計算：L=La+Lb（1）

式中：L為鋼絞線總長度，m；La為鋼絞線的自由段長度，取2 m；Lb為鋼絞線的錨固長度，m。

鋼絞線錨固長度Lb按公式（2）、（3）確定，并取其中較大的值：

式中：Lb為錨固段長度，mm；Nd為鋼絞線軸向拉力設(shè)計值，取200 kN；K為安全系數(shù)，取1.8；D為鉆孔直徑，取28 mm；d為單根鋼絞線直徑，取21.6 mm；n為鋼絞線根數(shù)，取1；fmg為錨固體與巖石孔壁之間的粘結(jié)強度設(shè)計值，取1.5 MPa；f'ms為錨固體與鋼絞線之間的粘結(jié)強度設(shè)計值，取1.5 MPa；ψ為錨固體長度對極限粘結(jié)強度的影響系數(shù)，取1.3。

經(jīng)上式計算可得出Lb取2100 mm，則：

式中：d為鋼絞線直徑，mm；Nd為鋼絞線軸向拉力設(shè)計值，取200 kN；fptk為鋼絞線抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，取1860 N/mm2；K為鋼絞線界面設(shè)計安全系數(shù)，取1.8。則：d=2[（KNd/fptk）/π]1/2=15.8 mm。

綜合考慮安全系數(shù)及理論計算值，錨索使用長度應(yīng)該不小于計算值，錨索直徑應(yīng)該不小于計算值，才能保證巷道的工程質(zhì)量和施工安全。施工時，采用Φ21.6 mm×7300 mm 的錨索滿足使用要求。

2020 年9 月開始，在2112 上順槽采用“半圓拱鋼棚+雙向拉伸護幫網(wǎng)、菱形網(wǎng)+鐵背板+錨索”支護形式，施工總長度840 m，2021 年3 月一次掘進到位。根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)分析，巷道掘進兩個月后，位移基本趨于穩(wěn)定。

5結(jié)論

以偃龍煤田嵩山煤礦長期面臨的構(gòu)造區(qū)高應(yīng)力三軟煤層巷道支護難題為背景，提出回采巷道斷面及支護形式、支護方案的優(yōu)化設(shè)計方案，采用“半圓拱鋼棚+雙向拉伸護幫網(wǎng)、菱形網(wǎng)+鐵背板+錨索”支護形式可以保證工作面的正?；夭?，降低巷道維護成本。