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[摘 要]随着开采深度的加大，动压将是影响巷道支护质量和效果的一个主要因素，采用何种支护方式才能确保巷道的安全使用是困扰广大工程技术人员的一大技术难题。本文结合工作实际，对潞新一矿的三软煤层巷道支护方式进行了分析与研究，现场应用效果显著，可以在类似条件的矿井推广应用。
[关键词]高强度；锚网支护；效益
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-0330-01
1 工艺研究背景和意义
巷道支护技术是煤炭开采工程中的一项关键技术。安全、合理、有效的巷道支护技术是保证矿井高产高效的必要条件。随着开采深度加大，地质条件会更加复杂和恶劣，而动压将是影响巷道支护质量和效果的一个主要因素，采用何种支护方式才能确保巷道的安全使用以及后期工作面的安全回采，是困扰广大工程技术人员的一大技术难题。
潞新一矿开采4号煤层，平均厚13.5m，目前矿井开采深度已经达到500米，煤层存在煤质特硬，煤层特厚，煤层底板特软三个特点，称之为“三特”煤层。4号煤层基本顶为砂砾岩，厚度为3m，直接顶为2m的砂质页岩。潞新一矿地质力学基础数据匮乏，尚未进行过系统的地质力学测试及锚杆支护工作，致使巷道锚杆支护参数的选取缺乏科学性、合理性，锚杆支护巷道的施工质量也存在问题。在巷道掘进过程中出现较为严重的片帮、炸顶现象，地应力释放十分严重，在常规的锚网支护情况下，往往在地应力释放之后，巷道顶板出现大幅度下沉，为确保安全，不得已在后期采用联合支护的方式进行顶板二次加固，费时、费力还增加了巷道的支护成本，并且给工作面回采期间工作面巷道支护造成极大的麻烦。因此合理的巷道支护方式是潞新一矿亟待解决的一项重要问题。
2 矿井目前巷道支护情况
潞新一矿现有的回采巷道支护方式主要是沿用过去浅水平的巷道支护模式，支护材料为自加工件，顶锚杆为φ20*2200mm的圆钢锚杆，帮锚杆为φ20*1800mm的圆钢锚杆，锚杆排距为0.8米，并且在打设锚杆的同时，补充锚索支护，锚索排距为6米，每排两根锚索，间距为1.5米，锚索规格为φ15.24*6300mm的钢绞线。在这种支护情况下，根据现场观察，巷道在进行以上锚网索支护后，出现以下主要问题：支护系统的刚度和强度低，出现了锚杆及钢筋托梁等被拉断、间断、撕裂等现象；地应力释放严重，矿压显现剧烈，巷道变形量大，巷道顶板在支护24小时内离层下沉量大，局部区域还出现顶板切顶现象，同时在掘进进尺过程中巷道片帮炸顶现象严重，前方预掘煤体在应力释放严重的情况下需要体现打设大量的托锚才能勉强控制住顶板，威胁安全生产。目前以上各类困难巷道一般主要采取加密锚杆锚索等措施进行支护，主要巷道在此基础上还增加型钢支护，但支护效果并不是十分明显，巷道仍不能满足生产要求。
3、工艺的研究与探讨
3.1 巷道变形破坏形式调查
根据井下调查，巷道变形破坏的表现形式主要有以下几种特征：
（1）两帮内挤。巷道两帮移近量大，煤帮向巷道内鼓出，出现纵向张裂，尤其是当巷道埋深大、煤层比较软弱时，两帮变形更为严重，出现片帮现象。
（2）顶板弯曲下沉、断裂。顶板在高水平应力作用下，发生弯曲、离层、断裂，稳定性明显降低，不采取有效措施，极易发生冒顶事故。
（3）拱顶挤碎或剪断。在拱形断面巷道中，由于受到两帮煤岩体的内挤作用，巷道拱顶向上变成尖桃形或在拱心部位剪碎。
（4）顶压引起的变形破坏。当拱形断面巷道局部以顶压为主时，拱顶下沉严重，弧形拱顶压成扁平状，拱角处断裂。
（5）巷道底臌。巷道底臌现象普遍存在，特别是底板岩石为较软的泥岩时，底臌相当严重。大量实测数据表明，在巷道顶底板的移近量中，大约有1/2以上是由底臌引起的。
（6）巷道整体变形。巷道四周压力均较大，变形来自各个方向。宏观表现为巷道整体收缩，断面收缩率很大，导致无法满足通风、运输、行人的要求。
通过查阅相关资料及现场观测分析可知：巷道围岩变形与破坏主要受三方面的因素影响：其一是巷道围岩地质条件，包括煤岩体物理力学性质，地质构造及节理、裂隙发育程度；其二是巷道工程赋存环境，主要包括应力环境、地下水环境和温度环境；三是巷道施工因素，包括巷道类型，巷道断面形状与尺寸，巷道开挖方式，以及巷道支护形式、支护参数和支护时机等。
4、高强度支护理论及施工方案
4.1 支护理论
高预应力强力一次支护理论的实质是，大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度，有效控制围岩变形，保持围岩的完整性，减小煤岩体强度的降低。采用高预应力、强力支护，尽量一次支护就能满足生产要求，避免二次支护和巷道维修。
实现复杂困难巷道一次支护应满足以下条件：
①支护系统应有足够的初期支护强度与刚度，有效控制离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等不连续变形，保持围岩的完整性；②支护系统应有足够的延伸率，允许巷道围岩有一定的连续变形和整体位移。但是，巷道在服务期间的总位移量不能超过允许值；③支护系统应有可操作性。提供的支护设计在井下应能比较方便的操作，有利于井下施工管理和掘进速度的提高；④在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。
4.2 支护设计施工方案
按照高强度锚网支护理论，我矿将原有的Φ20mm*2.2m圆钢锚杆改为Φ20mm*2.4m左旋螺纹钢锚杆，锚杆预紧力由150Nm加大到300Nm；帮锚杆由原有的Φ20mm*1.8m圆钢锚杆改为Φ20mm*2.2m圆钢锚杆，预紧力由150Nm加大到300Nm；锚网梁由原有的Φ6mm钢筋增加为Φ12mm钢筋；锚索排距由原来的6米缩短为1.6米，锚索直径由Φ15.24mm增加到Φ18.9mm，锚索张紧力由20Mpa增加至40Mpa。锚索施工由原有的滞后掘进机施工改为超前掘进机施工，即超前打设。
为确保锚杆在施工过程中能够保证预紧力，我矿采购了锚杆预紧力专用工具——锚杆倍增器，通过该设备使锚杆在施工过程中可以轻松的达到设计预紧力，预防了工人在给锚杆进行人工预紧时由于困难而偷懒造成预紧力不够的现象；另外针对锚杆张紧力方面，我矿购买了风动液压张紧千斤顶，也可以使锚索轻松达到设计张紧力。
5 工艺效果验证
（1）未使用高强度支护前，巷道在支护后24小时内均出现大面积下沉，且下沉量平均超过150mm，本工艺在现场应用后，巷道两帮最大位移量为43mm；顶板下沉量最大为35mm；顶板离层仪显示，顶板总离层值平均为30mm。
（2）通过巷道安装的顶板离层仪及顶板位移量监测数据表面，巷道在支护后顶板离层下沉量在24小时内由原来的150mm较少到30mm，之后巷道趋于稳定，在局部构造带下沉量超过100mm区域只需要短距离的进行联合支护就可以控制住顶板，且联合支护未发现有棚梁变形现象。
（3）目前巷道已經全部施工完毕，其中前200米采用原有的巷道支护方式，在进行锚网支护后由于顶板离层量大，全部在后期进行了二次联合支护，而后1000米采用高强度锚网支护后，基本没有进行二次联合支护。
6、结束语
采用高强度锚杆支护技术，虽然锚杆及锚索的单价比普通锚杆、锚索高，但由于采用强力锚杆支护系统，减少了巷道联合支护的费用，通过比较得知，考虑新掘巷道支护材料费和巷道维修材料费用，采用采用全锚索强力支护技术和采用普通高强锚杆支护系统相比，每米巷道节省材料费2497元/m。本工艺的成功具有广泛的应用前景，不仅适应于潞新一矿，而且可在类似条件的新疆矿区推广应用，由此可产生更大的经济效益和社会效益。
作者简介
田德才（1978——），男，本科，新疆哈密人，工程师，现任职于潞安新疆煤化工集团（有限）公司一矿副总工程师职务，主要从事煤矿开采。
[关键词]高强度；锚网支护；效益
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-0330-01
1 工艺研究背景和意义
巷道支护技术是煤炭开采工程中的一项关键技术。安全、合理、有效的巷道支护技术是保证矿井高产高效的必要条件。随着开采深度加大，地质条件会更加复杂和恶劣，而动压将是影响巷道支护质量和效果的一个主要因素，采用何种支护方式才能确保巷道的安全使用以及后期工作面的安全回采，是困扰广大工程技术人员的一大技术难题。
潞新一矿开采4号煤层，平均厚13.5m，目前矿井开采深度已经达到500米，煤层存在煤质特硬，煤层特厚，煤层底板特软三个特点，称之为“三特”煤层。4号煤层基本顶为砂砾岩，厚度为3m，直接顶为2m的砂质页岩。潞新一矿地质力学基础数据匮乏，尚未进行过系统的地质力学测试及锚杆支护工作，致使巷道锚杆支护参数的选取缺乏科学性、合理性，锚杆支护巷道的施工质量也存在问题。在巷道掘进过程中出现较为严重的片帮、炸顶现象，地应力释放十分严重，在常规的锚网支护情况下，往往在地应力释放之后，巷道顶板出现大幅度下沉，为确保安全，不得已在后期采用联合支护的方式进行顶板二次加固，费时、费力还增加了巷道的支护成本，并且给工作面回采期间工作面巷道支护造成极大的麻烦。因此合理的巷道支护方式是潞新一矿亟待解决的一项重要问题。
2 矿井目前巷道支护情况
潞新一矿现有的回采巷道支护方式主要是沿用过去浅水平的巷道支护模式，支护材料为自加工件，顶锚杆为φ20*2200mm的圆钢锚杆，帮锚杆为φ20*1800mm的圆钢锚杆，锚杆排距为0.8米，并且在打设锚杆的同时，补充锚索支护，锚索排距为6米，每排两根锚索，间距为1.5米，锚索规格为φ15.24*6300mm的钢绞线。在这种支护情况下，根据现场观察，巷道在进行以上锚网索支护后，出现以下主要问题：支护系统的刚度和强度低，出现了锚杆及钢筋托梁等被拉断、间断、撕裂等现象；地应力释放严重，矿压显现剧烈，巷道变形量大，巷道顶板在支护24小时内离层下沉量大，局部区域还出现顶板切顶现象，同时在掘进进尺过程中巷道片帮炸顶现象严重，前方预掘煤体在应力释放严重的情况下需要体现打设大量的托锚才能勉强控制住顶板，威胁安全生产。目前以上各类困难巷道一般主要采取加密锚杆锚索等措施进行支护，主要巷道在此基础上还增加型钢支护，但支护效果并不是十分明显，巷道仍不能满足生产要求。
3、工艺的研究与探讨
3.1 巷道变形破坏形式调查
根据井下调查，巷道变形破坏的表现形式主要有以下几种特征：
（1）两帮内挤。巷道两帮移近量大，煤帮向巷道内鼓出，出现纵向张裂，尤其是当巷道埋深大、煤层比较软弱时，两帮变形更为严重，出现片帮现象。
（2）顶板弯曲下沉、断裂。顶板在高水平应力作用下，发生弯曲、离层、断裂，稳定性明显降低，不采取有效措施，极易发生冒顶事故。
（3）拱顶挤碎或剪断。在拱形断面巷道中，由于受到两帮煤岩体的内挤作用，巷道拱顶向上变成尖桃形或在拱心部位剪碎。
（4）顶压引起的变形破坏。当拱形断面巷道局部以顶压为主时，拱顶下沉严重，弧形拱顶压成扁平状，拱角处断裂。
（5）巷道底臌。巷道底臌现象普遍存在，特别是底板岩石为较软的泥岩时，底臌相当严重。大量实测数据表明，在巷道顶底板的移近量中，大约有1/2以上是由底臌引起的。
（6）巷道整体变形。巷道四周压力均较大，变形来自各个方向。宏观表现为巷道整体收缩，断面收缩率很大，导致无法满足通风、运输、行人的要求。
通过查阅相关资料及现场观测分析可知：巷道围岩变形与破坏主要受三方面的因素影响：其一是巷道围岩地质条件，包括煤岩体物理力学性质，地质构造及节理、裂隙发育程度；其二是巷道工程赋存环境，主要包括应力环境、地下水环境和温度环境；三是巷道施工因素，包括巷道类型，巷道断面形状与尺寸，巷道开挖方式，以及巷道支护形式、支护参数和支护时机等。
4、高强度支护理论及施工方案
4.1 支护理论
高预应力强力一次支护理论的实质是，大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度，有效控制围岩变形，保持围岩的完整性，减小煤岩体强度的降低。采用高预应力、强力支护，尽量一次支护就能满足生产要求，避免二次支护和巷道维修。
实现复杂困难巷道一次支护应满足以下条件：
①支护系统应有足够的初期支护强度与刚度，有效控制离层、滑动、裂隙张开及新裂纹产生等不连续变形，保持围岩的完整性；②支护系统应有足够的延伸率，允许巷道围岩有一定的连续变形和整体位移。但是，巷道在服务期间的总位移量不能超过允许值；③支护系统应有可操作性。提供的支护设计在井下应能比较方便的操作，有利于井下施工管理和掘进速度的提高；④在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。
4.2 支护设计施工方案
按照高强度锚网支护理论，我矿将原有的Φ20mm*2.2m圆钢锚杆改为Φ20mm*2.4m左旋螺纹钢锚杆，锚杆预紧力由150Nm加大到300Nm；帮锚杆由原有的Φ20mm*1.8m圆钢锚杆改为Φ20mm*2.2m圆钢锚杆，预紧力由150Nm加大到300Nm；锚网梁由原有的Φ6mm钢筋增加为Φ12mm钢筋；锚索排距由原来的6米缩短为1.6米，锚索直径由Φ15.24mm增加到Φ18.9mm，锚索张紧力由20Mpa增加至40Mpa。锚索施工由原有的滞后掘进机施工改为超前掘进机施工，即超前打设。
为确保锚杆在施工过程中能够保证预紧力，我矿采购了锚杆预紧力专用工具——锚杆倍增器，通过该设备使锚杆在施工过程中可以轻松的达到设计预紧力，预防了工人在给锚杆进行人工预紧时由于困难而偷懒造成预紧力不够的现象；另外针对锚杆张紧力方面，我矿购买了风动液压张紧千斤顶，也可以使锚索轻松达到设计张紧力。
5 工艺效果验证
（1）未使用高强度支护前，巷道在支护后24小时内均出现大面积下沉，且下沉量平均超过150mm，本工艺在现场应用后，巷道两帮最大位移量为43mm；顶板下沉量最大为35mm；顶板离层仪显示，顶板总离层值平均为30mm。
（2）通过巷道安装的顶板离层仪及顶板位移量监测数据表面，巷道在支护后顶板离层下沉量在24小时内由原来的150mm较少到30mm，之后巷道趋于稳定，在局部构造带下沉量超过100mm区域只需要短距离的进行联合支护就可以控制住顶板，且联合支护未发现有棚梁变形现象。
（3）目前巷道已經全部施工完毕，其中前200米采用原有的巷道支护方式，在进行锚网支护后由于顶板离层量大，全部在后期进行了二次联合支护，而后1000米采用高强度锚网支护后，基本没有进行二次联合支护。
6、结束语
采用高强度锚杆支护技术，虽然锚杆及锚索的单价比普通锚杆、锚索高，但由于采用强力锚杆支护系统，减少了巷道联合支护的费用，通过比较得知，考虑新掘巷道支护材料费和巷道维修材料费用，采用采用全锚索强力支护技术和采用普通高强锚杆支护系统相比，每米巷道节省材料费2497元/m。本工艺的成功具有广泛的应用前景，不仅适应于潞新一矿，而且可在类似条件的新疆矿区推广应用，由此可产生更大的经济效益和社会效益。
作者简介
田德才（1978——），男，本科，新疆哈密人，工程师，现任职于潞安新疆煤化工集团（有限）公司一矿副总工程师职务，主要从事煤矿开采。