復雜地質條件下回采巷道錨網索支護參數優(yōu)化研究與應用

康虹等

摘 要：針對趙家壩煤礦回采巷道在開掘過程中，圍巖應力分布復雜，煤層、巖層的層理和節(jié)理較發(fā)育，并且松軟破碎，施工不久，巷道發(fā)生嚴重變形、巷幫位移量大，底板底鼓嚴重等問題，采用了錨網加W鋼帶支護加固原理和錨索支護補強原理后，提出了錨網索加W鋼帶聯(lián)合支護設計方案。

關鍵詞：巷道支護；錨網索支護；支護參數；W鋼帶

中圖分類號：TD353+.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.084

趙家壩煤礦的礦井地質構成比較復雜，煤層和圍巖松軟，受急傾斜地質構造的影響，開采煤層傾角大，采動應力場相互疊加，回采巷道圍巖應力分布復雜，圍巖遇水膨脹，巷道頂板很容易發(fā)生冒落，兩幫片落鼓折，這些都會嚴重影響礦井的生產安全。為了選擇合適的改進支護技術改善巷道維護狀況，結合趙家壩煤礦回采巷道煤巖層地質特征，優(yōu)化了回采巷道錨網索支護參數，并根據新的支護方案在該礦東六采區(qū)9#煤層回采巷道進行了工業(yè)試驗。

1 巷道基本情況

9#煤層回采巷道煤層平均傾角約為64°，煤層平均厚度1.17 m。偽頂為炭質泥巖，厚0.28 m；直接頂為泥質粉砂巖，厚1.85 m；老頂為粉砂巖，厚39.3 m。直接底為灰色薄層狀泥質粉砂巖含煤線，厚1.66 m，距9#煤層底板1.6 m（真厚）的是10#煤層。巷道順煤層布置，巷道凈寬3.8 m，凈高2.7 m，采用錨網支護。

2 回采巷道錨桿支護現(xiàn)狀評價

自趙家壩煤礦回采巷道采用錨桿支護替代架棚支護以來，支護效果明顯改善。但是，隨著礦井開采強度的增大和受煤巖層本身地質特征的影響，錨桿支護不能有效發(fā)揮其作用。通過分析回采巷道的數值，在現(xiàn)有支護下，巷道圍巖垂直應力明顯增加，頂板、底板和兩幫低應力范圍縮小。雖然現(xiàn)有支護提高了巷道周邊圍巖的應力，加固了周邊大范圍的圍巖，但是，巷道周邊圍巖松散破碎，不能很好地加固淺部巖層，因而達不到形成整體承載結構的效果。

3 支護設計優(yōu)化

錨桿支護形式的設計關乎巷道錨桿支護效果。此次支護設計是通過數值計算的，分析巷道在不同支護狀態(tài)下變形破壞的基本特征。根據松動圈測試和數值模擬分析結果，決定采用“錨索+錨桿（與強力W鋼帶配合）+金屬網”聯(lián)合支護的方式。錨索在圍巖中形成“外承載圈”，起到懸吊的作用，錨桿配合強力W鋼帶、網和高強度托板，將分散的多根錨桿連接成一個承載整體，形成“內支護圈（內承載結構）”，承擔“外支護圈之內圍巖壓力”。

3.1 錨桿支護參數

3.1.1 錨桿長度

錨桿長度的計算公式為：

L=N（1.5+W/10）. （1）

式（1）中：L為錨桿長度，m；N為圍巖穩(wěn)定性系數，取1.1；W為巷道掘進寬，m，掘進寬度按照3.8 m計算。

將相關數值代入式（1）中得：L=1.1×（1.5+3.8÷10）=2.068 m。

結合現(xiàn)場應用的實際情況，確定錨桿長度L=2.2 m。

3.1.2 錨桿直徑

據經驗公式可得：

d=L/110. （2）

在式（2）中，L為錨桿長度，取2.2 m，則d=2 200/110=20 mm。

使用Φ22 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿直徑與鉆孔直徑的合理匹配是它們的直徑之差，即6～12 mm，最佳差為7～8 mm，所以，使用Φ28 mm的鉆頭打設錨桿鉆孔。

3.1.3 錨桿間排距

錨桿間排距計算公式為：

M≤0.9/N. （3）

式（3）中：N為圍巖影響系數，取1.1.

將相關數值代入式（3）中可得：M=0.9÷1.1=0.818 m。在完成相關計算時，選取M=0.80 m，即錨桿間距和排距分別為0.80 m。

3.2 錨索支護主要參數計算

3.2.1 錨索材料

參考廣旺礦區(qū)資料和相關文獻，錨索材料一般使用高強度、低松弛黏結式1×7鋼絞線，直徑為15.24 mm。錨固力>200 kN，預拉力為130 kN。

3.2.2 錨索錨固長度

按照GBJ 86—85的要求，錨索錨固長度La應滿足式（4），即：

La≥k（dfi/4fe）. （4）

式（4）中：k為安全系數，取1.3；d為鋼絞線直徑，取15.24 mm；fi為鋼絞線抗拉強度，取1 860 N/mm2；fe為錨索與錨固劑設計黏結強度，當樹脂作錨固劑時，取5.0 N/mm2。

將相關數值代入式（4）中可，經計算得：La≥1 843 mm。根據實際情況確定錨固長度為2 100 mm，錨索采用6只K2335樹脂錨固劑端頭錨固。

3.2.3 錨索長度

錨索長度的計算公式為：

L=La+Lb+Lc+Ld. （5）

式（5）中：L為錨索總長度，m；La為錨索深入比較穩(wěn)定巖層的錨固長度，取2.1 m；Lb為需懸吊的不穩(wěn)定巖層總厚度，根據煤巖層綜合柱狀圖，其取5.6 m；Lc為上托梁和錨具的長度，不小于0.1 m，取0.15 m；Ld為需要外露的張拉長度，不小于0.2 m，取0.25 m。

因為安全系數取1.05～1.1，所以，錨索長度為8.51～8.91 m。根據施工現(xiàn)場的實際情況，確定錨索長度為9.0 m。

3.2.4 錨索間排距

依據錨索預緊力和趙家壩煤礦半煤巖巷煤巖層的實際情況，每間隔兩排錨桿布置6根錨索。

3.2.5 錨索支護時間

如果過早施工，錨索巷道圍巖的變形會拉斷鋼絞線；如果過晚施工，則會導致錨索錨桿錨固段與錨索錨固段巖層分離。一般情況下，可以根據巷道實際施工進度，緊跟掘進工作面施工錨桿，滯后10 m左右施工錨索。

4 確定支護方案

通過分析急傾斜松軟煤層破碎圍巖動壓巷道的破壞特點、支護對策，考慮到現(xiàn)場實測松動圈的厚度，對巷道采用全斷面錨網（與W鋼帶配合）加錨索聯(lián)合支護，即先對巷道頂板和兩幫進行全斷面錨網支護，然后每間隔3 200 mm，在巷道拱頂和兩幫錨桿空隙處分別施工錨索。巷道每個斷面布置6根錨索打在錨桿空擋中間，端頭錨固采用6支樹脂藥卷（K2335共6支），端頭錨固長度為2 100 mm，外露長度不超過300 mm，錨索托盤規(guī)格為400 mm×90 mm×76 mm的高強度十字鋼托梁和配套鎖具。

5 結論

對于復雜條件下的半煤巷錨桿支護，依據圍巖強度耦合支護原理，以高強錨桿實現(xiàn)強度匹配。針對復雜地質條件回采巷道變形破壞的特點，使用了較高強度的W鋼帶配合金屬網支護。同時，在局部地區(qū)的薄弱處，合理增加了錨索支護，以增強圍巖表面的約束力。

通過優(yōu)化巷道支護參數，趙家壩煤礦急傾斜煤層重復采動軟巖巷道支護更加合理，明顯改善了巷道維護狀況，有效控制了圍巖位移。

參考文獻

[1]錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1991.

[2]侯朝炯，郭勵生.煤巷錨桿支護[M].北京：中國礦業(yè)大學出版社，1999.

〔編輯：白潔〕