煤炭是不可替代的传统能源，各个国家对煤炭的需求在不断增加，深部煤炭资源开采已成为客观和必然的趋势，同时，也是各产煤国家共同面临的问题。巷道指具有软顶板、软底板、软煤质的巷道[1]。浅埋煤层地质构造少，应力场组成简单，开挖时应力集中小，巷道围岩变形破坏范围小，围岩变形可以通过常规支护来控制。随着开采深度的增加，巷道最大主应力以水平应力为主，巷道会发生支护载体变形破坏、巷道围岩隆起、强底鼓等地下灾害，巷道支护变得愈加困难[2]。

大量学者针对深部煤矿高水平地应力的分布规律、围岩形变机理和高水平地应力下深部三软巷道支护的难点进行了研究。这些研究主要集中在高强度预压长锚杆支护、大直径高强度锚索支护、U型钢膨胀支护、后壁注浆加固、巷道卸压与应力调节、非对称支护、二次加固支护等方面。而以H-G锚索支座为核心的高水平应力下巷道围岩支护技术研究较少[3]。因此，研究高水平应力下以H-G锚索支座为核心的巷道围岩支护技术具有重要意义。同时，也为其他类似地质条件的巷道支护提供了参考，对煤矿安全高效生产具有重要意义[4-5]。

1、工程地质背景

东周窑煤矿是晋能控股煤业集团下属煤矿之一，井田位于左云县城东，井田含煤地层包括上煤系大同组及下煤系太原组、山西组，上煤系已被开发利用[6]。石炭系上统太原组厚度为40～98.89 m, 平均73.03 m, 含煤系数17.18%,含煤9层，即3号、4号、5号、6号、7号、8-1、8号、9号、10号煤层。二叠系下统山西组厚度为13～138 m, 平均59 m, 含煤系数为4.4%,含煤6层，即山1号、山2号、山3号、山4号、山5号、山6号煤层。

现采山4号煤层底板标高西北部为+900～+1 070 m、东南部为+880～+1 000 m, 煤层厚度0.30～15.85 m, 平均4.91 m; 5号煤层底板标高+750～+980 m, 煤层厚度0.30～19.25 m, 平均6.79 m。山4号层8107工作面位于一盘区，工作面走向长度约为1 200 m, 倾向长度为162 m, 煤层平均倾角为15°,埋深约590 m。工作面最大主应力为水平应力，水平应力方向为56°～95°,掘进过程中穿越泥岩、泥页岩及页岩，受高水平应力作用及支护体与围岩耦合度较低影响，岩体破碎程度较高，巷道顶板大部分开裂破碎，底板严重隆起，两帮严重变形，移进量最大可达262 mm, 锚杆、锚索被剪断，混凝土喷涂层脱落，极大影响了工作面的正常作业，且存在严重的安全隐患[7]。

2、试验巷道原始支护方案及效果评价

2.1 试验巷道的原始支护方案

8107工作面巷道采用锚杆和锚索组合支护作为原始支护方案。在巷道顶板设置每排6个支撑锚杆，排间距为750 mm×700 mm[8];巷道两侧选用尺寸为16 mm×2 000 mm的圆形钢锚杆，行间距为900 mm×700 mm[9],左侧布置3个锚杆，右侧布置4个锚杆。锚索由15.24 mm×7 000 mm钢丝链制成，行间距为2 250 mm×1 400 mm, 采用锚固剂锚固和ϕ12 mm铁板加固支撑[10]。在整个巷道喷涂厚度为100 mm的柔性混凝土层，巷道底板采用反拱设计。图1为原支护方案试验巷道截面。

2.2 试验巷道原支护方案的效果评价

8107工作面采用锚杆-锚索组合支护法后巷道围岩变形较大，顶板破碎严重，巷道两侧围岩及混凝土喷涂层脱落，锚杆暴露在外，底板变形破坏、隆起严重[11-12]。使用原始支护方案的试验巷道如图2所示。

图1 原始支护方案的试验巷道截面

因此，必须通过有效支撑来控制煤壁的变形破坏，防止破坏变形逐步向更深处延伸，进而减少巷道两侧的变形，并增加顶板的自支撑能力[13-14]。

3、优化巷道支护方案

3.1 优化支护方案设计

由于改变巷道开挖方位角对整个矿区生产体系影响较大，结合煤矿实际情况，试验巷道围岩变形控制方案的优化设计仅考虑巷道断面形状和支护方案2个方面[15]。根据煤矿地质条件，对试验巷道原支护方案的有效性进行分析，结合巷道实测数据，选取采用H-G锚索、高强度锚杆、W型钢带、金属网、喷射混凝土的优化方案，并将试验巷道形状改为拱形截面，巷道的顶板设计为半圆形拱形，底板设计为反向拱形，测试巷道最佳支护方案设计剖面图如图3所示。具体配套参数如下。

图2 试验巷道的原始支护部分

巷道上部拱形段采用7根排列成五花形的高强度、高预紧锚杆，选用M4钢带和4～6 mm金属丝网用于组合支护。锚杆的尺寸规格为ϕ22 mm×2 400 mm。每个锚杆由一个CK2370快速锚杆和一个Z2370中速树脂线圈组成，行间距为700 mm×700 mm, 锚杆预紧力不小于7 t。

巷道两侧采用6根高强度高预紧锚杆，选用M4钢带和4～6 mm钢丝网用于组合支撑，锚杆规格为ϕ20 mm×2 400 mm, 其他参数与顶板相同。

巷道拱顶中采用全程锚固方式安装2根强预紧H-G锚索，该锚索的规格为ϕ24.6 mm×7 000 mm, 每根锚索由一个CK2370快速树脂线圈锚固，预载不小于7 t, 在不影响开挖的情况下尽快进行锚索注浆。锚索桥架为圆形，直径为250 mm, 厚度不小于4 mm, 锚索排间距为1 400 mm。

在巷道两侧各安装一根强预张力H-G锚索，H-G锚索规格为ϕ24.6 mm×6 000 mm, 布置在煤层中间，沿煤层倾向排列，其他参数与顶板锚索相同。采用5 MPa的高压将泥浆注入锚索，以增加锚索的强度，随着煤岩体破碎，注浆量需要增加，直到高压无法将浆液压入。

巷道底板的反拱用混凝土材料填充，巷道全断面喷淋厚度为100 mm的柔性混凝土层。柔性混凝土材料是425号普通硅、中粗砂和2～4 mm的石头，水泥：砂：石的物料体积比为1∶2∶2,促凝剂的含量为水泥用量的4%,软化剂的用量为水泥重量的0.5%,软化剂选用钢纤维或高弹性维纶纤维(直径10～25 m, 长度15～25 mm)。巷道回采后，如果现场条件允许，应立即喷射巷道两侧的混凝土层，以减少岩石和煤侧的风化。

图3 测试巷道最佳支护方案设计剖面图

3.2 新型H-G锚固锚索的选择

试验巷道的优化支护得益于新型H-G锚索的应用，锚索由高强度钢丝制成，使新型H-G锚索具有更好的支撑效果。与传统钢绞线切割锚索相比，新型H-G锚索的荷载传递特性、锚固强度和锚固延展性大大提高。

新型H-G锚索的技术参数如下：钢丝直径为6.0 mm, 锚索的直径为24.6 mm, 顶板锚索的长度为7 000 mm, 两侧巷道锚索长度为6 000 mm, 安装孔径为32 mm, 强度为1 760 MPa, 断裂力大于420 kN,树脂锚固长度为1 000～1 500 mm。H-G管的规格为内径7.5 mm, 外径10 mm, 注浆压力大于5.0 MPa。

我国普遍采用化学浆液、水泥单浆、水玻璃和水泥混合双浆等新型高水快凝材料，而煤矿H-G锚索的注浆材料是原H-G锚索厂家专门匹配的复合水泥浆液，其中水泥编号为525,水灰比为1∶2,ACZ-I水泥注浆添加剂的添加比例为8%。

4、现场应用效果分析

4.1 试验巷道设计方案观测

工作面巷道全长约1 200 m。在巷道开挖约600 m后，在巷道后方100 m内采用优化支护方案。在试验巷道上设置4个监测站，对围岩位移和应力进行监测，以分析优化支护方案的支护效果。试验巷道监测站布置如图4所示。1号、2号监测站布置在采用原支护方案支护的巷段，3号、4号监测站布置在采用优化支护方案的巷段。2号测量站和3号测量站之间的距离约为400 m, 1号测量站和2号测量站之间的距离为10 m, 3号测量站和4号测量站之间的距离为10 m。

图4 试验巷道监测站布置示意

在4个测量站顶板和煤壁分别安装1个位移计和3个应力计，如图5所示。位移计选用GEL多点位移计，每个位移计有5个测量点，测量范围一般为100 mm, 如有特殊需求，测量范围可增加到 300 mm。位移计安装在直径为27～55 mm的孔中，测量精度为0.5 mm。应力计选用美国GEOKON制造的振动弦应力计(与位移计安装在同一钻孔中),此应力计精度高(0.07 MPa)和稳定性好。通过对每个监测站顶板和煤壁的位移和应力进行监测，比较开挖后试验巷道使用不同支护方案的初始变形情况。

4.2 现场应用效果分析

根据对4个站点监测结果的分析，①采用原支护方案的试验巷道1号和2号监测站的巷道顶板和煤壁变形较大。2号监测站显示，巷道每前进约70 m, 安装两周后巷道围岩总变形超过100 mm(超出位移计范围)。位于采用优化方案的试验巷道的4号和5号测量站测量结果表明，相较于原始支护方案，巷道顶板和底板的变形要小得多，现场观测发现，巷道围岩变形较小，未出现围岩明显收敛、底板隆起、顶板离层、两帮煤体破碎严重抛出等情况。巷道每前进约50 m, 支护两周后围岩总变形小于50 mm, 比原支护方案小2%以上。②试验巷道初期开挖时，2号、3号测量站位移量是1号、4号测量站位移量的2倍以上，说明开挖后试验巷道初始变形较大。巷道开挖后应立即安装锚杆和锚索，以减少巷道的初始变形。③煤壁2 m深度内垂向应力较大，5 m和10 m深度内垂直应力较小，说明煤壁松动圈的范围应在2～5 m之间。1号测量站检测应力变化特征如图6所示。

图5 试验巷道安装位移计和应力计现场

图6 1号测量站检测应力变化特征

4.3 经济效益估算

以长度为1 200 m的试验工作面为例。如果全部采用优化的支护方案，经济效益估算如下，①与原有支护方案相比，巷道支护成本将增加120万元；②巷道维护费用减少2万元；③工作面顺利回采预计年产量增加7万t, 经济效益4 900万元。综上分析，采用优化支护方案后，整体经济效益预计为4 856万元。

5、结论

(1)根据东周窑煤矿巷道实际情况，提出了一种采用H-G锚索、高强度锚杆、W型钢带、金属网、喷射混凝土的新型优化支护方案。该方案具有以下特点：试验巷道的形状改为拱形截面；巷道的底板设计为半圆形拱门，而底板设计为反向拱门；增加了顶板和煤壁锚杆和锚索的数量、强度和支撑密度，所有锚杆和锚索都以高预载荷安装，并使用新的注浆锚索进行全程锚固。

(2)试验巷道采用优化支护方案后，现场监测结果表明，采用优化支护方案的100 m试验巷道开挖后已完全成型，顶板、底板或煤壁没有明显破坏。与原有的支护方案相比，试验巷道的稳定性有所提高。采用优化支护方案支护的巷道段顶板位移从100 mm减小到30 mm, 煤壁位移由100 mm以上减小到50 mm以下。

(3)原始支护方案导致巷道围岩变形较大，顶板破碎严重，底板变形破坏、隆起严重等问题，严重影响作业效率及安全，采用新型支护方案后巷道变形问题得到有效控制，且稳定性提高，预计整体经济效益增加4 856万元。

参考文献:

[1]崔正庭.滑动构造区三软煤巷掘进优化支护技术[j].煤矿机电,2022,43(5):57-61.

[2]王丙振,赵淑红.高应力三软煤巷锚索-钢棚联合支护研究与实践[j].山东煤炭科技,2022,40(4):67-69.

[3]孟现锋,辛亚军,张继远,等.三软煤层高应力大采长工作面优化设计[j].能源与节能,2022,27(8):26-28,144.

[4]关永龙,张建星.“三软”煤巷锚网支护技术研究与应用[j].山东煤炭科技,2018,36(4):17-19.

[5]王晓鹏,姜鹏程.锚网与u型钢联合支护在三软煤层高应力巷道中的应用[j].内蒙古煤炭经济,2017,35(17):41-41,52.

[6]李晓鹏,李金刚,王瑞.深部三软煤巷高强锚网索支护技术研究[j].煤炭技术,2016,35(8):44-46.

[7]崔正庭.滑动构造区三软煤巷掘进优化支护技术[j].煤矿机电,2022,43(5):57-61.

[8]裴俊,杨阳.复合层顶板巷道新型锚杆支护技术分析[j].煤炭科技,2023,44(4):172-175,181.

[9]史佳强.砂墩子煤矿厚煤层巷道顶板临界锚固厚度研究及应用[d].徐州:中国矿业大学,2023.

[10]张洋.井下快速掘进支护分析[j].机械管理开发,2023,38(2):290-292.

[11]张鹏珍.二采区回风巷过断层施工工艺及支护技术[j].山东煤炭科技,2023,41(1):17-19.

[12]张建廷.煤矿巷道掘进锚杆支护工艺研究[j].机械管理开发,2022,37(9):110-112.

[13]孟雷,刘凤明.近距离煤层低抽巷支护技术实践应用[j].山西焦煤科技,2022,46(8):4-6,29.

[14]刘新权.新型拉力分散型锚杆支护巷道围岩稳定性分析及协同效应研究[d].南昌:东华理工大学,2022.

[15]王晋嘉.园子沟煤矿区段煤柱尺寸优化与煤巷支护工程实践[d].徐州:中国矿业大学,2022.

文章来源:李琪.基于现场试验的东周窑煤矿巷道新型支护方案研究[j].陕西煤炭,2024,43(12):127-131.