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让压支护技术在大采深、高地应力巷道的应用李伟民1李德元1高维宇1许凤国2[1-阜新矿业集团公司清河门煤矿,辽宁阜新123006；2-阜新矿业集团公司，辽宁阜新123000]摘要针对矿井大断面、大采深、高地应力、服务年限长的巷道掘进支护现状及围岩特点，提出采用高强让压锚杆、金属网、W型钢带+锚索联合支护技术控制大断面、大采深、高地应力巷道围岩持续变形的方法，并在我矿巷道掘进实际施工中进行支护实践应用，取得较好效果。关键词大采深高地应力巷道高强让压锚杆联合支护-----------------------------------------------------------------------前言阜新矿业（集团）公司清河门煤矿是一座开采40多年的老矿井，现在矿井的生产格局是“两区两面”，由于矿井的多年开采，现已开采三水平-800m高左右。343采区是清河门煤矿的现生产采区，开采三水平四煤组的煤炭，开采深度在-520～-820m之间，本组内多煤层可采，层间距较薄。在这种大采深、高地应力的情况下进行大断面掘进施工，巷道的支护极其困难。343采区北翼集中材料道是运输、行人兼通风的主要巷道，设计全长920m，施工标高在-789m左右，巷道净断面14.4m2，服务年限为5年。巷道原采用锚、网、梯+锚索联合支护，掘进施工一段时间后，巷道变形严重，巷道的维护与翻修工程量较大，整个巷道范围内锚杆、锚索受力比较明显，部分锚杆的螺母崩脱，金属网形成许多网兜，容易造成冒顶事故。鉴于此种现状，为了提高巷道的掘进速度，降低支护成本，保证生产使用的安全，进行了高强让压锚杆支护技术实验。1存在的问题煤矿锚杆支护技术已经得到了广泛的应用，但目前的锚杆、锚索种类单一，难以适应不同地质采矿条件变化的需要。随着煤矿开采深度的不断加大，巷道围岩变形量大，自稳能力差，巷道变形现象会越来越严重，这对锚杆、锚索支护设计的要求也越来越严格，巷道支护问题在煤矿的安全生产中就显得更加突出。合理的支护形式及参数设计既能有效控制围岩的变形，又可以降低支护成本。巷道地质条件各不相同，同样的材料支护效果也各不一样。在深部开采掘进过程中，要面临很多影响巷道支护的问题，如：随着采深的增加，压力增大多少、巷道变形范围如何及变形量多少、巷道周边的主应力方向如何、应力随采深增大的梯度是多少，这些问题直接影响煤矿的综合效益及安全生产。也有的矿井仍沿用浅部的支护方法和管理经验，从而造成支护失效，常出现大量的折梁断腿、锚杆失效、反复维修、冒顶塌方等现象，耗费了大量的人力、物力、财力，仍不能保证安全生产。造成这些不安全因素的原因主要是对大采深、高地应力的巷道支护没有采取有针对性的支护方式和手段，难以提出合理有效的深部地压控制措施和配套的巷道支护方法。因此，深部开采首先应解决的是巷道施工中的“安全、高效、经济、快速”支护问题。2支护原则要解决上述支护现状存在的问题，就要有一个相对于大断面、大采深、高地应力巷道支护的支护原则。采用预应力高强让压锚杆提高支护结构共同承载载荷是一个很好的解决方法。在支护与围岩的相互关系上，高强让压锚杆支护有3个突出特点：①符合围岩与支护结构共同承载的基本支护思想；②及时主动支护，即在岩体开掘早期进行让压锚杆安装，安装后即对围岩提供显著的轴向和横向的支护阻力，避免岩体松动和塑性松动圈的增大；③属于柔性支护，选择合理的支护刚度，使支护完成后，仍能与岩体一起产生少量的位移，释放部分能量，既保持岩体受力平衡，又保持支护结构不失稳。新型高强让压锚杆是在此基础上采用了一种合理有效的让压方式，在锚杆承受载荷接近过载时象安全阀一样起到让压作用，从而保护锚杆杆体不被破坏。采用高强度预应力让压锚杆可以加大锚杆的间排距，减少锚杆的用量，提高掘进速度，降低掘进成本，同时可以保证良好的支护性能。343区北翼集中材料道属于大断面、大采深、高地应力易变形巷道，并且使用年限较长。对于这种类型的巷道，锚杆支护系统设计必须满足:①合理的锚杆安装应力。锚杆的安装应力是控制围岩早期变形的重要参数，安装应力过小会使围岩发生过大的早期变形，松散破碎圈增大，引起顶板破碎，锚杆受力增加。一个合理的锚杆安装应力如同液压支架的初撑力一样重要。②高支护强度。在大采深、高地应力、中厚煤层大断面掘进的条件下，支护强度必须提高。③锚杆须具有让压性能。为了防止锚杆承受过度载荷而破断，锚杆必须有一定的变形让压性能。然而，这种变形让压必须是有“控制”的让压，通过有效“控制”的让压使巷道内的联合支护系统成为一个整体，从而改变整体支护效果。合理的让压性能应该做到锚杆在一定吨位上稳定让压，以保证巷道支护效果，防止锚杆杆体发生突然破断。④提高辅助支护系统强度。一个完整的支护系统包括高强让压锚杆、金属网、W型钢带+锚索进行联合支护，使煤层顶板形成一个整体的层状组合梁，来达到提高整体支护强度的效果。深部巷道基本支护原则与理念就是要形成高安装载荷、高整体支护强度、锚杆变形可靠让压的最佳层状组合梁。3巷道支护实践3.1高强度让压锚杆支护系统设计煤矿顶板是由不同层状岩体组合成的层状组合梁，为了使组合梁达到其最佳强度，应该设计合适的锚杆长度及锚杆系统的安装应力。达到最佳组合梁的锚杆系统设计应满足下列条件：①通过调整安装应力，使锚杆支护系统应能够控制锚固范围内的顶板离层，这需要选择合理的锚杆类型和安装应力；②锚固系统应能够减少或消除顶板的拉应力区；③锚杆应能够锚固在稳定的岩层中；④锚固系统应有足够的能力来控制顶板，并且在整个需要支护期间内不失效。根据支护理论和支护经验，经过数值分析，确定如下支护方案：（1）锚杆支护参数采用高强预应力可变形让压均压高强度螺纹钢锚杆支护，锚杆屈服强度为500MPa。顶板锚杆直径20mm、长2400mm，间排距为1000×800（mm），用2卷CK2350型树脂锚固剂卷锚固；两帮锚杆直径18mm、长2000mm，间排距为900×800（mm），两帮用2卷Z2350型树脂锚固剂卷锚固。（2）锚杆预应力根据有限元分析，提高安装应力可以减小或消除顶板中的拉应力区，可以消除顶板岩层的离层，从而取得最佳层状组合梁的效果，顶板锚杆安装应力最小为40kN，两帮锚杆的安装应力不小于30kN，根据不同情况调整预应力。（3）辅助支护系统辅助支护系统包括鸟巢锚索、W型钢带和金属网。根据地质条件变化、煤层采动影响及围岩松动圈的影响范围等因素，选用直径17.8mm、长8300mm的鸟巢锚索，用2卷CK2350型树脂锚固剂卷锚固，托盘为200×200×10（mm）的球形锚索托盘；W型钢带使用型号为BHW270-2.75，长度为4300mm，通过W形状及高强材料来提高钢带的钢性，通过锚杆联结成为一个整体；菱形金属网可有效防止漏矸、漏顶，而且其自身强度还可以控制两帮变形，并可以与让压锚索、让压锚杆、W型钢带形成一个整体，使支护系统形成整体。3.2巷道支护施工方案按照作业规程规定先进行敲帮问顶、打炮孔眼、爆破。爆破完毕，立即安设顶板锚杆；帮锚杆滞后工作面不大于5m，顶、帮破碎时，帮锚杆跟至工作面。要保证锚杆达到设计的预紧力和锚固力的要求，锚杆安设角度需符合设计要求。巷道支护如图1所示。图1巷道支护断面图4支护效果清河门煤矿343采区北翼集中材料道采用高强让压均压锚杆支护，通过监控巷道所受掘进和采煤工作面的地压影响，掌握围岩的变形规律，以确定巷道的支护效果，以便及时采取措施保证矿井安全生产。矿压监测的主要内容包括：巷道煤岩体表面位移监测、顶板离层监测、锚杆受力状态监测、锚杆安装应力监测与锚固力监测。高强让压锚杆支护方式与原有支护方式效果相比，巷道的变形量大大减小，整个巷道范围内受力均匀，没有出现网兜现象。采用高强让压锚杆、金属网、W型钢带+锚索进行联合支护，减少巷道的维护与翻修工程量，提高巷道的掘进速度，降低支护成本。5结论①高强让压锚杆、金属网、W型钢带+锚索联合支护的支护质量和支护强度均达到了预期的设计要求。在施工过程中及现在的使用时间内，巷道变形量明显减小，支护效果明显。②采用高强让压锚杆+鸟巢锚索+W型钢带+金属网联合支护的支护成本每米巷道比原支护方式节约128.89元，同时减少了维修、翻修的人力、物力、财力。③高强让压锚杆、金属网、W型钢带+锚索联合支护可以有效控制围岩变形，在经济合理的条件下提高支护强度、支护表面质量和支护效果，提高了掘进速度，保证了生产安全。④高强让压锚杆、金属网、W型钢带+锚索联合支护技术不但可以减少支护施工量、降低支护成本，而且可以防止原支护方式导致的稳定巷道“二次变形”现象，具有较高的推广价值。第一作者简介李伟民男，1970年出生，1993年7月毕业于阜新矿业学院采矿专业，工学学士。现任阜新矿业（集团）公司清河门煤矿矿长，高级工程师。（收稿日期：06-30；责任编辑：黄翔）