高 梓

(西山煤电集团有限责任公司 官地矿, 太原 030022)

裂隙发育岩体巷道快速支护技术研究

高 梓

(西山煤电集团有限责任公司 官地矿, 太原 030022)

针对官地矿裂隙发育顶板巷道支护困难、掘进速度慢的问题，采用了钻孔围岩结构窥视和强度测试，掌握了顶板的裂隙发育和强度分布规律，提出了采用高预应力锚杆锚索组合支护系统，巷道顶板保持良好的稳定性，巷道的日单进水提高46.7%，效果显著。

结构窥视；强度测试；组合构件；快速支护

锚杆支护是我国煤矿巷道最主要的支护方式[1]，安全、快速、高效的巷道掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，在总的成巷时间内，支护工序占据了大部分时间，因此提高成巷速度的关键是缩短支护时间，提高支护速度[2]。目前常用的煤巷快速掘进和支护技术大致可以分为三种：连续采煤机与锚杆台车交叉换位掘进；掘锚一体化的掘锚机组；悬臂式掘进机与单体钻机配合工艺[3-5]。但前两种对煤巷的数目、地质条件、断面形状、工序组织要求苛刻，大面积的推广受到了限制,目前多采用悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配合工艺，如何在现有的条件下实现巷道的快速掘进需要开展进一步的研究。

官地煤矿地质构造复杂，截止2014 a，揭露陷落柱696个，落差大于20 m的5条,在采掘过程中揭露3 m～5 m正断层127条、逆断层19条，1 m～3m正断层730条、逆断层114条，地质类型为复杂。官地煤矿目前正在掘进的2号煤层，顶板构造复杂，顶板裂隙发育，严重影响了巷道掘进速度，需要对开展深入的研究。

1 巷道围岩地质力学测试

官地煤矿2号煤层12605正巷埋藏深度315.5 m，2号煤层平均厚度2.8 m，巷道不受周边采动影响。为了掌握巷道顶板裂隙发育状况，开展了巷道围岩地质力学测试， 测试了围岩的结构和强度特征，见图1和图2。

顶板0 m～1.2 m为砂质泥岩，裂隙非常发育，岩层不完整，岩层平均强度为33.65 MPa；顶板1.2 m～5.0 m为细砂岩，3.4 m处有泥岩夹层，离层较多，裂隙发育，岩层平均强度为61.58 MPa。5.0 m～8.0 m为砂质泥岩，裂隙发育，少量离层，岩层平均强度为24.04 MPa。

图1 围岩结构窥视Fig.1 Structure peep of surrounding rock

图2 围岩强度测试Fig.2 Strength test of surrounding rock

从强度测试曲线可以看出，同一岩层的强度波动范围极大，对于砂质泥岩，强度最低位21 MPa，最高为48 MPa，同时受地质构造的影响也会对巷道围岩强度产生较大影响，因此必须注重顶板的护表能力，同时提高支护强度和刚度，防止顶板浅部裂隙的进一步扩展。

2 原支护材料解析

12605正巷目前均沿2号煤层顶板掘进，巷道采用矩形断面，尺寸为4.2 m×2.8 m，，采用锚杆、锚索及钢筋托梁支护。

2.1 顶板护表构件

目前官地煤矿采用的是钢筋托梁，但对于裂隙发育煤岩体顶板，钢筋托梁护表面积小，同顶板呈线性接触，支护效果差，但全部采用W钢带，支护效果好，但成本过高，为此针对官地矿顶板研制了W短钢带和钢筋托梁组合构件，既保证有一定的护表面积、强度和刚度，又经济合理，便于施工。

2.2 锚杆托板

图3是不同尺寸锚杆托板在围岩应力中分布状态，从图中可看出：随着锚杆托板尺寸增加，围岩内部高压应力区范围不断扩大，锚杆托板尺寸对预应力场的分布有明显影响，托板在预应力支护系统中起非常重要的作用。因此对于节理裂隙岩体，应选择护表更大的锚杆托板，实现预应力的有效扩散。

官地煤矿目前采用的是110 mm×110 mm×8 mm的拱形托板，锚杆托板球窝几何形状与力学性能应与球形垫圈匹配，因此选择150 mm×150 mm×10 mm可调心拱形锚杆托板作为支护构件。

图3 不同尺寸锚杆托板围岩预应力场Fig.3 Prestressed field of surrounding rock under anchored bolt plates with different sizes

2.3 锚索

锚索应将锚杆支护形成的次生承载结构与深部围岩相连，发挥深部围岩的承载能力，提高次生承载结构的稳定性。因此，锚索应锚固在围岩内部相对较稳定的岩层中，根据围岩结构测试围岩强度测试结果可知在顶板3.8 m～5.0 m范围为细砂岩，强度较高，为此选择锚索锚固在此范围。同时在巷道支护中，应优先选用抗拉强度等级不低于1 860 MPa，延伸率不低于3.5%，直径不小于17.8 mm的钢绞线；对于高应力、大断面、动压影响等复杂困难巷道应优先选择直径不小于20 mm的强力锚索。

根据12605工作面巷道服务年限和使用用途，以及官地矿巷道围岩结构观测结果，3.8 m～5.0 m范围围岩结构和强度相对较好，确定12605正巷采用Φ21.6 mm×4 300 mm的低松弛高强度预应力锚索。

3 巷道支护设计

基于地质力学测试成果、支护材料和支护参数的研究，确定12605支护设计，见图4。

顶板锚杆Φ20-M22-2 400 mm螺纹钢锚杆，锚杆排距1 200 mm，间距900 mm；采用1支CK2360和1支K2380树脂锚固剂加长锚固；帮锚杆Φ20-M22-2 000 mm螺纹钢锚杆，锚杆排距1 200 mm，间距1 000 mm，采用1支K2380树脂锚固剂锚固，配合W钢护板；托板采用可调心拱型高强度托盘，规格为150 mm×150 mm×10 mm。

4-a 巷道支护仰视图

4-b 巷道支护正视图

顶板组合构件：采用钢筋托梁和W短钢带组合焊接而成，钢筋托梁：采用直径为12 mm的圆钢焊接而成，宽度为210 mm，长度为3 950 mm；W短钢带，宽度280 mm，长度300 mm，厚度3 mm。

锚索为Φ21.6 mm×4 300 mm高强度低松弛预应力钢绞线，采用一支CK2360和两支K2380低粘度树脂药卷锚固；采用“二一二一”间隔布置，锚索排距2 400 mm，间距1 800 mm。

顶锚杆预紧力矩≥300 N·m；顶锚索预紧力为200 kN。

通过井下支护效果可以看出，对于节理裂隙发育的煤岩体，采用高预应力锚杆锚索组合支护系统，采用新型顶板组合护表构件，巷道顶板保持了良好的稳定性。采用原支护设计锚杆排距为1.0 m，新支护方案锚杆排距为1.2 m，同时优化施工工序，实现快速支护，使得巷道的日单进水平由日单进9.0 m提升至13.2 m，掘进速度提高46.7%，有效的保证了工作面的正常衔接，取得了巨大的经济效益。

4 结束语

1)采用钻孔围岩结构窥视和强度测试掌握顶板的裂隙发育和强度分布规律，有效指导支护设计。

2)对各构件的力学性能进行了分析，同时研发出新型护表构件，加大裂隙发育岩体的护表面积，提高锚杆的预应力扩散效率，实现主动支护

3)采用高预应力锚杆锚索组合支护系统，巷道顶板保持了良好的稳定性，巷道的日单进水提高46.7%，效果显著。

[1] 康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[2] 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(12)：1233-1238.

KANG Hongpu,WANG Jinhua,LIN Jian.High Pretensioned Stress and Intensive Bolting System and Its Application in Deep Roadways[J]．Journal of China Coal Society,2007(12)：1233-1238.

[3] 吴春汶，刘善勇.掘进巷道锚杆快速支护施工工艺[J].山东煤炭科技，2004，2008(5)：4-5.

[4] 于励民，樊晓红,杨艳初,等.掘进巷道悬挂式迈步超前支架的方案设计[J].采矿与安全工程学报，2009，26(3)：391-394.

YU Limin,FAN Xiaohong,YANG Yanchu,etal.A New Design for Preceding Support of the Hanging and Striding Pattern on Laneway Roof[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2009，26(3)：391-394.

[5] 张洪鹏.快速掘进支护工艺和液压自移式掘进超前支架的研究与应用[J].山东煤炭科技，2008(4)：4-5.

RapidSupportingTechnologyinRockRoadwayswithFractureDevelopment

GAOZi

(GuandiMine,XishanCoal&ElectricityGroup,Taiyuan030022,China)

To solve the difficult supporting and slow draining in roof roadway with fracture development in Guandi Mine, structure peep and strength test with boreholes on surrounding rock are adopted to achieve the law of the fracture development and strength distribution. High prestressed bolt and cable support technology could guarantee roof stability and increase water intake per day by 46.7% remarkably.

structure peep;strength test;combined components; rapid supporting

1672-5050(2017)01-0014-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.004

2016-12-13

高梓(1978-)，男，山西朔州人，大学本科，工程师，从事煤炭开采技术研究及实践工作。

TD322

A

(编辑:武晓平)