高应力破碎围岩回采巷道支护技术研究

焦作煤业集团新乡能源有限公司赵固二矿王晓红张双全

为解决高应力破碎围岩回采巷道支护难度大的问题，本文采用试验室试验、理论分析及现场观测的方法，以高河煤矿工作［摘要］

面回采巷道为研究对象，通过研究分析得出该巷道应采取锚网索联合支护手段，确定巷道支护参数，对支护巷道进行表面位移观测，并对比分析原支护设计，结果表明：支护参数优化之后，能有效保证巷道稳定性，为类似条件巷道支护设计提供理论依据。［关键词］高应力破碎围岩支护参数优化煤岩力学参数工程类比表1煤岩物理力学参数测定结果0.引言

随着我国煤矿开采深度的不断加大，深部矿井高地应力导致巷道参数煤层直接顶岩石直接底岩石围岩破碎，矿井支护难度越来越大，回采巷道难以支护的问题一直是影

自然视密度/kg.m-3145226252552响矿井高产高效的主要因素，我国矿井面临着深部开采的难题[1-3]。许

多围岩在浅部表现出坚硬岩石的性质，但是在深部矿井却表现出破碎声波波速/m.s-1191134354179

[4-5]

岩石的性质，单一的支护形式无法保证回采巷道的稳定性。因此，国

抗拉强度/MPa0.811.261.81内外许多学者对此进行了深入研究，康红普等[6]通过对锚杆托板的力学

性能与支护效果进行了研究分析，旨在通过加强锚杆托板的力学性能抗压强度/MPa12.5733.325.18

[7]

提高锚网支护的效果；王金华对全煤巷道锚杆锚索联合支护机理与效

弹性模量/GPa3.1810.4410.11果进行了分析研究，提出了采用锚网锚索联合支护技术对回采巷道进

行支护，并取得了良好的支护效果；于斌[8]将高强度锚杆支护技术应用变形模量/Gpa2.187.347.99在大断面煤巷中，高强度锚杆有效提高了煤巷支护效果，保证了回采巷

泊松比/μ0.350.31[9]

道的稳定性；王强等对煤矿井下锚杆预紧力控制进行了研究，通过加

普氏硬度f1.23.32.5强锚杆的预紧力提高巷道支护效果。这些研究成果对于高地应力破碎

[1]

但是，由于深部巷道围岩围岩回采巷道支护提供了充分的理论依据，粘结力/GPa13.3423.63

的力学作用机理与浅部有较大的差别，经常发生因巷道变形过大而导

内摩擦角/度26.135.7致支护失效，不得不经常返修巷道[10]。基于此，笔者对高河煤矿支护设

根据巷道布置，为方便工作面回采和节省工程费用，所有顺槽和沿计进行了研究，以期达到为该条件下回采巷道提供可靠支护形式的目

煤层掘进的巷道以及横贯一般均采用矩形断面；井底车场、过构造带和的。

抬头段等穿层巷道、硐室工程均采用半圆拱形断面。巷道断面以通风1.工作面概况

能力或运输设备外形尺寸及安全间距确定，硐室工程以设备外形尺寸高河煤矿二采区120321工作面主采3号煤层位于山西组下部，夹

及检修、安全间距确定。所有巷道除局部必要的部位采用混凝土砌碹矸0～5层，一般1～2层，厚0～1.45m，一般厚0.27m，以距底板约1.2m

和支架支护外，均为锚喷、锚网喷、锚梁网喷或锚梁网支护，必要时增加左右的一层较为稳定；煤层可采厚度为5.15～8.44m，平均厚6.71m，厚

锚索；一般硐室采用锚喷支护，特殊的大型硐室采用钢筋混凝土或混凝度较为稳定，结构简单，煤层倾角2～6°，属近水平煤层。煤层顶板为泥

土砌碹支护。岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为砂岩。底板为黑色泥岩、砂质泥岩、深灰

3.巷道断面设计色粉砂岩。矿井为高瓦斯矿井，煤尘具有爆炸危险性，煤层为不易自然

巷道断面形状选择受地应力大小及方向、掘进工艺、巷道用途和服发火的煤层，矿井没有地温危害，3号煤层水文地质条件较为简单，井田

务年限以及巷道的支护材料和支护方式等因素制约，根据高河煤矿开的北部、中部及南部局部地段由于受到基岩风化带和松散层含水层等

采深度、现有的支护状况，可以选择矩形断面和半圆拱形断面。对于半的影响及断层、陷落柱的存在，可能导通了含水层间的水力联系，水文

圆拱形断面来说，受力条件较好，但是设备运输利用率较低，如果要满地质条件趋于复杂。根据3号煤及其顶板的物理力学性质、煤层结构、

足大采高设备运输需要，则巷道净断面至少为5000mm×4000mm，而对开采深度等自然因素对综放开采顶煤冒放性影响的综合分析，且3号

于矩形断面来说，巷道运输利用率较高，巷道净断面设计为4500×煤层顶煤冒放性较好，该煤层宜采用综采放顶煤开采。

4000mm即可满足大采高设备的运输需要。另外高河煤矿3号煤层裂2.煤岩物理力学参数测定结果

隙发育，设计为半圆拱形时成形困难，填充工程量及材料消耗量较大。煤岩物理力学参数的测定结果可以为巷道支护设计提供理论依

因此，考虑高河煤矿开采深度、顶板条件以及工程经验，选择矩形断面据，笔者在120321工作面回风巷取样进行试验，试验采用RMT-150B煤

最为合适。岩力学试验系统进行测定，测定结果见表1。

表2煤巷锚杆基本支护形式与支护参数

支护参数

围岩稳定类别ⅠⅡⅢⅣⅤ

支护结构

锚杆直径/mm16、181818、2018、20、2220、22、24

顶板锚杆

间排距锚杆长度

/m/m1.6、1.81.6、1.8、2.01.8、2.0、2.2、2.42.0、2.2、2.42.0、2.2、2.4

0.8～1.20.8～1.00.7～0.90.7～0.80.7～0.8

10～20m2/根10～20m2/根10～20m2/根锚索密度

锚杆体直径

/mm

161618、2016、1818、20

帮锚杆

锚杆长度

/m1.61.61.8、2.01.6、1.8、2.01.8、2.0、2.2

锚杆间、排距

/m0.8～1.20.8～1.00.8~1.00.7～0.80.7～0.8

单体锚杆、端头锚固锚、梁、端头锚固

锚、梁、网、端头、索或加长锚固锚、梁、网、索，加长或全长锚固锚、梁、网、索，加长或全长锚固

4.锚杆支护设计方法

井下巷道(特别是回采巷道)突出的特点就是承受采动支承压力，围岩破碎、变形量大。工程设计之前，对围岩的地质条件、岩体强度、松动圈、采动影响程度、矿压显现规律等因素要进行深入的调查分析，必要时应对原岩应力的大小和方向进行测试，为支护设计提供可靠的基础数据资料，这是取得良好设计效果的重要保证。目前，我国煤巷锚杆支护参数设计，主要采用工程类比法和理论计算方法；工程类比方法占较大比重。工程类比法确定支护方式较为常用，因此，笔者采用该方法确定高河煤矿工作面回风巷的支护参数，煤巷锚杆基本支护形式与支护参数见表2。

根据高河煤矿的围岩情况确定工作面回风巷采用如下支护参数，锚网支护参数如图1所示：

1）顶板支护参数。①顶板设计每米安装5根Φ20×2200mm螺纹钢锚杆，树脂药卷加长锚固，锚固长1.2m，Z-2360和S-2360树脂药卷各

一支，锚杆间排距为1000×900mm，铺设梯子梁和金属网。树脂锚固，

顶板采用S-2360+Z-2360型锚固剂，规格为Φ23×600mm。钻孔直径为28mm，锚固长度为1200mm。角锚杆向外倾斜20°，其他锚杆均垂直顶板；锚杆间距1000mm，排距900mm，每排6根锚杆。②采用10#铅丝编制，网孔40×40mm棱形金属网，搭接长度不小于150mm。③Φ14mm圆钢焊制锚杆钢带，按锚杆孔间距焊制75×76mm方孔。④锚索长度为7300mm，间距为2000mm，排距2700mm；索体材料为高强度低松驰钢绞线，直径17.8mm，极限拉断力270KN，延伸率大于3.5%；锚索尾部配有高强度锚具，其型号为OVM15-1；采用树脂药卷锚固，树脂锚固剂为低粘度树脂药卷，型号为S-2360＋2Z-2350，即直径23mm，长度600mm，锚固长度1800mm；锚索托板为170mm×l70mm×l0mm的钢板，孔眼直径19mm，居托板中间。

2）两帮支护参数。①两帮设计每米共安装8根Φ18×2000mm螺纹钢锚杆，树脂药卷加长锚固，锚固长1.2m，Z-2360和S-2360树脂药卷

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科技信息各一支，锚杆间排距为1000×900mm，铺设梯子梁和金属网。树脂锚固，顶板采用S-2360+Z-2360型锚固剂，规格为Φ23×600mm。钻孔直径为28mm，锚固长度为1200mm。锚杆角度：角锚杆向外倾斜20°，其他锚杆均垂直巷帮；锚杆间距1000mm，排距900mm；②金属网：采用10#铅丝编制，网孔40×40mm棱形金属网，搭接长度不小于150mm。③Φ14mm圆钢焊制锚杆钢带，按锚杆孔间距焊制75×76mm方孔。

5.围岩变形特征分析

图1120321工作面回风巷支护参数

（a）两帮移进量

（b）底板臌起量

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（c）顶板下沉量

图2巷道表面位移观测结果

为了检验优化设计后的支护是否能保证巷道的稳定性，笔者在巷道内布置3个测站，从试验段开始，掘进50m后布置测站2，然后再掘进50m后布置测站3，测站1为其他工作面巷道，测点1所在巷道采用的支护形式为矿井原设计支护，对比分析3个测点的巷道表面位移情况，如图2所示。

从图2可以看出，原支护巷道最大两帮位移量693mm，底臌量286mm，顶板下沉量249mm；采用优化设计后的支护形式巷道两帮位移量最大为174mm、底臌量最大为80mm、顶板下沉量最大为184mm，与原有的支护形式对比分析，两帮位移量、底臌量、顶板下沉量最大值分别下降81.7%、72%、26.1%，表明该地质条件下，采用该支护形式能较好的保证巷道的稳定性。

6.结论

经过现场分析确定巷道净断面设计为4500×4000mm，结合试验室实验结果确定巷道围岩类型，研究得出巷道支护形式为锚网锚索联合支护，通过与原支护设计巷道进行围岩稳定性对比分析，两帮位移量、底臌量、顶板下沉量最大值分别下降81.7%、72%、26.1%，表明优化后的支护参数能有效保证巷道稳定性。

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