“三软”特厚煤层巷道锚网支护技术与实践

李志鹏 李宁

摘 要：【目的】针对焦家寨煤矿特厚煤层完整性差、松散易冒顶等突出问题，分析影响顶板冒漏的主要因素。【方法】通过现场煤层可锚性测试，确定了锚网支护的可行性；
提出了长短锚索层次控制技术，优化了巷道支护方式；
采用顶板超前“龙骨”预支护结构，有效防止顶煤漏冒。【结果】现场实践表明：顶板锚索受力稳定，支护效果良好，防止了顶板冒漏现象。顶底板最大移近量156 mm，两帮最大移近量82 mm，巷道变形量均在允许范围内。【结论】本研究成功实现了“三软”特厚煤层的锚网索应用。

关键词：三软特厚煤层；
超前预支护；
松动圈

中图分类号：TD353     文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2023）09-0069-05

Abstract：
[Purposes] In view of the outstanding problems such as poor integrity of the extra-thick coal seam and loose roof falling in Jiaojiazhai Coal Mine， the main factors affecting roof leakage are analyzed.[Methods] The feasibility of bolt-net support is confirmed by the on-site test of coal seam anchoring; The layer control technology of long and short anchor cables is put forward to optimize the roadway support mode; The roof advanced "keel" pre-support structure is adopted to effectively prevent top coal leakage.[Findings] The field practice shows that the roof anchor cable has stable stress， good support effect and prevents roof leakage. The maximum displacement of the roof and floor is 156 mm， the maximum displacement of the two sides is 82mm， and the roadway deformation is within the allowable range. [Conclusions] The application of the anchor mesh cable in the "three soft" extra-thick coal seam has been successfully realized.

Keywords：
three soft extra-thick coal seam; advance pre-support; loose ring

0 引言

隨着我国煤矿资源开采重心由东向西转移，山西、内蒙古等地区厚煤层的开采储量逐渐达到全国煤炭总储量的45%［1-2］。巷道是工作面高效开采的前提，巷道安全快速掘进是煤矿高效稳定生产的重要保障。煤层中普遍存在煤体本身强度低、松软破碎，顶板破碎易冒漏等问题，尤其在特厚煤层中此类问题更为突出［3-6］。特厚煤层内开掘巷道通常为全煤巷道，由于开采强度大、煤体强度低、巷道稳定性差，掘进速度和采掘衔接问题已经成为制约矿井安全和高效开采的瓶颈［7-10］。因此，如何实现“三软”特厚煤层内巷道安全掘进，保证正常采掘衔接对保障矿井安全高效开采具有重要意义。

许多学者对巷道锚网技术进行了大量研究工作。王恩乾和刘小雄等［7-8］从地质角度多方位研究巷道掘进过程中的地质异常区域，优化该区域支护参数和工艺顺序，实现了巷道的快速掘进。付建华等［9］从松软煤层的赋存特征和形成原因入手，提出了煤层锚固性能、锚杆预紧力和及时支护是实现快速掘进的关键问题。支光辉等［10-11］针对松软煤层掘进过程中顶板漏冒问题，提出了掘进迎头预注浆治理技术。

既有研究成果从不同的角度出发，通过改变支护方式、优化支护工艺等方面提高了巷道支护的稳定性，但针对“三软”特厚煤层地质条件下的研究成果较少。本研究以焦家寨煤矿5#煤为工程背景，针对“三软”特厚煤层顶板冒漏、支护困难等突出问题，深入分析影响掘进速度的主要因素，开展“三软”特厚煤层巷道锚网索支护技术实践。

1 工程地质概况

1.1 工程背景

焦家寨煤矿井田面积17 km2，采用走向长壁式采煤法，采用放顶煤开采工艺，全垮落法管理顶板，现核定生产能力为150万t/a。5132工作面煤层厚度9.75～11.8 m，平均10.6 m，呈黑色，硬度较软，硬度系数0.5，属于典型的松软煤层。掘进过程中采用架棚支护，施工过程中劳动强度大、工序复杂、支护效率低。同时，掘进过程中还面临着顶煤多次漏冒现象，巷道安全性差，巷道维护困难，难以满足正常的采掘接替，已经成为制约该矿高效率安全开采的主要瓶颈。

1.2 围岩松动圈测试

巷道围岩松动圈采用CT-2型超声波探测法进行现场测试，在5132进风巷距离迎头不同位置共布置5个测点，测试结果如图1所示。从图1可以看出，5132进风巷实测围岩波速范围基本处于500～1 400 m/s，呈现波速低、起伏大、不规律性的特点，且波速值明显低于煤层介质的波速范围1 700～2 800 m/s，表明测试范围内围岩处于松动破碎区，由此初步判定松动圈范围约为2.2 m。

1.3 影响巷道安全支护因素分析

1.3.1 煤质松软破碎。5132工作面煤层平均厚度10.6 m，硬度系数0.5，属于松软特厚煤层。巷道顶煤松软破碎，现场施工过程中顶板多次发生漏冒现象。

1.3.2 原支护工艺落后。原支护采用架棚支护，劳动强度大，工序复杂，支护效率低，安全状况差。

1.3.3 支护体系不完善。应增加超前预支护工艺，避免掘进割煤时顶板冒落。

2 巷道安全支护技术

2.1 煤层可锚性测试

为了提高支护效果，拟采用锚网索支护方式替换原有的架棚支护，应在现场测试锚固强度是否满足规范要求。测试地点距离5132进风巷迎头50 m，现场锚固剂型号为K2335，监测对象为顶板和帮部的锚杆（索），并分别测试了干式打眼和湿式打眼对锚固强度的影响。测试结果如表1和图2所示。

从试验结果可以看出：湿式打孔时煤体黏结能力降低，锚固能力下降，因此干式打孔实测锚固力明显高于湿式打孔。依据规范要求锚固长度300 mm时锚固力要不小于100 kN，因此湿式打孔时锚固力均不满足要求。干式打孔时仅有帮部锚杆1锚固力不达标，分析其原因是现场锚固剂在搅拌过程中发生了“手套”效应，其余锚杆和锚索锚固力均达到了规范要求。

2.2 支护方案设计

通过现场松动圈监测结果可知，5312进风巷围岩松动圈约为2.2 m，已经超过普通锚杆的支护范围，而加长锚杆长度不利于现场锚杆的安裝和锚固。基于现场锚索的锚固性能测试结果，锚索在松软煤层内具有良好的锚固效果，因此，可运用顶板长短锚索层次控制技术。

2.2.1 巷道顶板支护。短锚索使用Φ17.8×4 300 mm钢绞线，采用1支MSK2335和2支MSZ2360树脂药卷锚固，间排距750 mm×800 mm，每排布置7根，托盘规格为150 mm×150 mm×12 mm的钢托盘。长锚索使用Φ18.9×7 300 mm钢绞线，采用2支MSK2335和2支MSZ2360树脂药卷锚固，间排距1 600 mm×1 600 mm，每排布置3根，托盘规格300 mm×300 mm×16 mm的蝶形钢托盘。要求锚索预紧力不低于180 kN，锚固力不低于330 kN。W型钢带规格4 700 mm×280 mm×3 mm，锚索与W型钢带、Φ6 mm×50 mm×50 mm的钢筋网和塑料双抗网配合护表。钢筋网必须按设计要求进行搭接和联网，搭接长度不小于100 mm，搭接处每隔200 mm用14#双股铁丝捆扎，采用双排扣联网，且每排联网间距均不超过200 mm。

2.2.2 两帮支护。锚杆使用Φ22×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢，采用1支MSK2335和1支MSZ2360树脂药卷锚固，间排距800 mm×800 mm，托盘为150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盘，配合400 mm×280 mm×3.75 mm的W型钢护板。护网为50 mm ×50 mm的8号菱形金属网。预紧力不小于65 kN，锚固力要求不低于127 kN。优化后的支护方案如图3所示。<C：＼Users＼Administrator＼Desktop＼河南科技五上终版＼Image＼图3a.png>

2.3 超前预支护工艺

为防止5312进风巷掘进过程中顶煤大范围冒落，设计在掘进工作面迎头打设密集长钢管作为超前“龙骨”预支护结构。钢管规格Φ30×3 200 mm，可以满足当班掘进3个循环，排距为300 mm，每排可布置15根钢管，搭接距离800 mm。现场钢管和顶板超前“龙骨”预支护结构如图4所示，“龙骨”预支护结构的一端由锚索、托盘和W型钢带预压固定，另一端在实体煤内，从而在顶板形成了稳定的简支梁结构，有效解决了破碎顶煤的漏冒问题，为巷道快速掘进提供了安全保障。

3 工业性试验

3.1 现场矿压监测

3.1.1 巷道表面位移观测分析。采用十字位移法监测5132进风巷开挖后的巷道变形情况，如图5所示。从图5可以看出，巷道开挖5 d内变形较为明显，5～15 d变形呈缓慢上升，15 d以后围岩变形逐渐趋于稳定。顶底板最大移近量156 mm，两帮最大移近量82 mm，均在允许的变形范围内。监测结果表明改进的支护方式有效地提高了巷道的稳定性。

3.1.2 巷道锚索应力观测分析。采用MCJ-60型锚杆（索）测力计监测巷道开挖后顶板锚索的受力情况，监测结果如图6所示。从图6可以看出，顶板长短锚索受力变化趋势较为一致，巷道开挖后10 d内锚索受力增加较快，10 d以后逐渐趋于稳定，表明顶板长短锚索随着巷道变形能够达到协调同步受力，顶板处于较为稳定的状态。

3.1.3 锚杆（索）锚固质量检测。为了检测现场巷道支护体的锚固质量，对巷道锚杆（索）锚固质量进行抽检，抽检结果如图7所示。结果表明：5132进风巷锚杆（索）锚固质量合格率达到了98.8%，优化后的巷道支护设计方案锚固效果良好，巷道支护施工质量能够满足设计要求。

3.2 经济效益分析

5132进风巷架棚支护时采用11#工字钢对焊棚进行支护，棚梁长3.6 m，棚腿长3.2 m，棚距0.6 m，铺设铁丝菱形网。将原架棚支护方式和改进后的锚网索支护方式的支护材料成本进行对比分析见表2。5132进风巷架棚支护时每米巷道支护材料费用约6 205元，改进后的锚网索支护方式每米巷道支护材料费用约2 346元，较架棚支护材料成本降低了62%。

4 结论

以焦家寨松软特厚煤层为工程背景，针对5312进风巷掘进过程中多次出现顶煤漏冒、巷道维护困难、采掘接替紧张等突出问题，从改变巷道支护方式、改进支护工艺等多个角度展开研究。具体研究结论如下。

①分析影响5312进风巷支护困难的主要因素，包括煤质松软破碎、原支护工艺落后、支护体系不完善等。

②研究松软特厚煤层的可锚性，替换原架棚支护，实现松软特厚煤层锚网索支护可行性的技术突破，提出顶板长短锚索层次控制技术体系，并制定相应的支护方案，现场矿压监测结果良好，锚杆（索）锚固质量检测合格率达到了98.8%，保证巷道的安全稳定。

③构建顶板超前密集长钢管“龙骨”预支护结构，优化了“龙骨”长度，成功解决了顶煤松软破碎、易冒漏的关键问题。

参考文献：

［1］王金华. 全煤巷道锚杆锚索联合支护机理与效果分析［J］. 煤炭学报， 2012，37（1）：
1-7.

［2］王彬. 煤矿巷道锚杆（索）分次支护及快速掘进技术研究［D］.西安：
西安科技大学， 2020.

［3］任重远. 三软煤层大断面煤巷快掘快支技术研究［J］. 煤炭与化工， 2020，43（10）：
1-3.

［4］李溪枝. 厚煤层沿底巷道顶板变形机理和加固技术研究［J］. 中国矿业， 2021，30（8）：
154-160.

［5］陈可夯， 王朋飞， 翟黎伟. 特厚煤层孤岛工作面全煤巷道锚索支护技术研究与应用［J］. 煤矿安全， 2021，52（12）：
106-114.

［6］石琨. 松软破碎易自燃突出厚煤层沿空掘巷技术［J］. 煤炭科学技术， 2013，41（10）：
49-52.

［7］王恩乾， 华心祝， 杨森， 等. 煤巷异常区域快速掘进围岩关键部位确定及控制［J］. 矿业研究与开发， 2021，41（3）：
32-37.

［8］刘小雄， 张顺. 巷道泥岩顶板发育区高效快速掘进地质保障技术［J］. 煤炭科学技术， 2021（S2）：
243-248.

［9］付建华， 王登科， 王建伟， 等. 郑州矿区“三软”煤层锚网支护技术研究与应用［J］. 煤炭工程， 2021，53（3）：
68-72.

［10］支光辉， 姜彦军， 汪文刚. 三软煤层巷道掘进防漏顶预注浆液扩散规律研究［J］. 煤炭科学技术， 2020，48（6）：
220-227.

［11］李林， 顾伟， 宋刚. 松软破碎煤巷深浅孔联合注浆加固技术［J］. 煤矿安全， 2021，52（9）：
108-115.

猜你喜欢三软急倾斜“三软”突出煤层煤岩巷交岔口顶板支护技术研究科技创新导报(2017年31期)2018-02-03大倾角“三软”煤层炮采工作面顶板事故的原因分析及对策中国科技纵横(2018年1期)2018-01-31“三软”厚煤层综放工作面沿空留巷技术研究魅力中国(2017年24期)2017-09-15“三软”煤层巷道掘进常见问题治理浅析山东工业技术(2017年3期)2017-03-16深部大断面“三软”煤巷支护技术研究大陆桥视野·下(2016年4期)2016-06-04悬移支架机采放顶煤工作面防治片帮关键技术研究科技视界(2015年25期)2015-09-01“三软”煤层差异化支护探索中国高新技术企业(2015年1期)2015-01-12