“三軟”煤巷錨網(wǎng)支護技術研究與應用

關永龍 張建星

（鄭州煤炭工業(yè)（集團）有限責任公司，河南 鄭州 450000）

長期以來受“三軟”煤層賦存條件影響，鄭州礦區(qū)煤巷支護一直以被動支護為主。近年來隨著礦井開采深度不斷加大，巷道支護方式不僅從剛性金屬支架升級為U型鋼可縮性支架，而且U型鋼型號也由25U逐步加大至36U。U型鋼支架不僅投入費用高、運輸量大、回收率低、職工勞動強度大，工作面回采期間巷道斷面收縮嚴重，工作面端頭超前擴修、替棚，嚴重制約了工作面的推進速度。為破解“三軟”煤巷支護難題[1]，通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場工程實踐的方法，探索了一條適應鄭州礦區(qū)的錨網(wǎng)支護技術。

1 “三軟”煤巷錨網(wǎng)支護理論分析

大量的試驗表明，即使在軟弱、松散、破碎的巖層中安裝錨桿，也可以形成一個承載結構[2]。只要錨桿間距足夠小，每根錨桿形成的壓應力圓錐體將相互重疊，就能在巖體中產(chǎn)生一個均勻壓縮帶，可承受破壞區(qū)上部破碎巖石的載荷。加固拱內(nèi)的巖體受徑向和切向約束，處于三向應力狀態(tài)，巖體承載能力得到提高。錨桿支護的作用是形成較大厚度和強度的加固拱，拱的厚度越大，越有利于圍巖穩(wěn)定。加固拱理論充分考慮了錨桿支護的整體作用，在軟巖巷道中得到了較為廣泛的應用，這一理論是鄭州礦區(qū)“三軟”煤層能夠成功開展錨網(wǎng)支護技術的有力支撐。

2 數(shù)值模擬實驗

2.1 數(shù)值模型建立

基于巖層控制的關鍵層理論和開采沉陷理論[3-4]，結合鄭州礦區(qū)典型的地質采礦條件，利用離散元UDEC數(shù)值模擬軟件建立數(shù)學模型，模型參數(shù)如下：模型尺寸為80m×80m，模型底邊界為固定邊界，左、右邊界為位移邊界，頂邊界為應力邊界，模型頂部施加5.5MPa垂直應力等效為上覆220m巖層的自重應力。分別模擬不同長度的錨桿、不同錨固長度、不同錨桿間距錨桿預應力場的分布特征。

2.2 數(shù)值模擬結果及分析

2.2.1 錨桿長度的確定

圖1為巷道采用Ф20mm螺紋鋼錨桿支護、半長錨固、預應力50kN條件下錨桿長度分別2.0m、2.5m、3.0m和3.5m時的單根錨桿預應力分布云圖。顏色越深表明應力集中越明顯，反之，應力集中越不明顯（下同）。圖1實驗結果表明：

（1）在相同預應力水平下，隨著錨桿長度增加，單根錨桿形成的預應力場范圍在不斷擴大，但形態(tài)更為狹長。當錨桿長度達到一定程度時，錨固范圍內(nèi)的中高預應力區(qū)會產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象。

圖1 不同錨桿長度下單根錨桿預應力分布云圖

（2）從充分發(fā)揮錨桿預應力作用來看，錨桿長度取值在2.0～3.0m之間較為理想，考慮到井下巷道錨網(wǎng)支護施工便利，錨桿長度應不超過2.5m為宜，結合鄭州礦區(qū)錨網(wǎng)支護工程實踐取得的成功經(jīng)驗，鄭州礦區(qū)煤巷頂板錨桿推薦長度為2.4m，幫錨桿推薦長度為2.0m。

2.2.2 錨桿錨固長度的確定

在工程實踐中，端頭錨固和加長錨固是兩種較為常用的錨固方式，以Ф20mm螺紋鋼錨桿為例，分析錨桿錨固長度對錨桿預應力場分布規(guī)律的影響。圖2中錨桿長度3.0m、預應力50kN，錨桿錨固長度分別為0.6m、1.2m、1.5m和1.8m。

從圖2中單根錨桿形成的預應力水平看：

（1）錨桿錨固長度0.6m時，預應力場最高應力水平0.07MPa，中高預應力區(qū)高度0.3m；當錨固長度達到1.2m時，預應力場外輪廓最大高度2.4m，最大寬度1.1m，錨桿的預應力水平0.1MPa。隨著錨桿錨固長度繼續(xù)加大，當錨桿錨固長度達到1.5m時，預應力場范圍進一步縮小，雖然中高預應力區(qū)輪廓高度下降至1.5m，但該區(qū)域中上部寬度較為均勻，有利于發(fā)揮錨桿的群錨效應。而當錨桿錨固長度達到1.8m時，不僅預應力場范圍繼續(xù)減小，而且預應力水平整體下降約0.02MPa，首次出現(xiàn)預應力場范圍、預應力水平雙降現(xiàn)象。

圖2 不同錨固長度下單根錨桿預應力分布云圖

（2）結合鄭州礦區(qū)錨網(wǎng)支護工程實踐的成功經(jīng)驗，推薦每根錨桿使用2支2350型樹脂錨固劑，理論錨固長度約1.4m。

2.2.3 錨桿支護密度的確定

圖3為不同錨桿間距下錨桿預應力場分布云圖，圖中巷道頂錨桿長度3.0m，幫錨桿長度2.0m，錨桿錨固長度1.5m，預應力50kN。幫錨桿間距統(tǒng)一為0.9m，頂錨桿間距分別為0.6m、0.8m、1.1m和1.5m。

圖3 不同錨桿間距下錨桿預應力分布云圖

由圖3中可見：當頂錨桿間距為0.6m時，巷道頂板單根錨桿的預應力場相互疊加形成明顯的“群錨效應”，頂板錨桿預應力場平均厚度1.4m，該區(qū)域內(nèi)預應力值保持在0.05～0.125MPa之間；當頂板錨桿間距0.8m時，頂板錨桿預應力平均厚度1.1m，該區(qū)域內(nèi)的預應力值也降低了0.01MPa左右；當頂板錨桿間距1.1m時，頂板錨桿間的預應力場疊加效應十分孱弱，預應力條帶作用不明顯；當頂板錨桿間距達到1.5m時，巷道頂板錨桿間的“群錨效應”完全喪失。為保障錨桿預應力疊加區(qū)域厚度，合理的錨桿間距應在0.8m左右。

3 工程實踐

3.1 工程概況

白坪煤礦22031工作面煤層厚度8.0～17.0m，平均煤厚9.0m，煤層傾角4～12°，平均傾角9°，巷道埋深259～353m，巷道主要施工層位為二1煤層及其下部底板，留底煤2m。22031工作面上付巷頂錨桿間排距為750×800mm，幫錨桿間排距為850×800mm，頂板錨桿選用Ф20×2400mm高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（鋼材牌號335），幫錨桿選用Ф20×2000mm高強左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（鋼材牌號335），錨桿托板規(guī)格為120×120×10mm鼓形托板（鋼材牌號A3）。每根錨桿使用1支K2350樹脂錨固劑（頭部）和1支Z2350樹脂錨固劑，并使用配套快速安裝螺母和減摩墊圈，錨桿初始預緊力矩不低于200N·m。

3.2 現(xiàn)場實驗結果及分析

22031上付巷每隔50m布置1個礦壓觀測站，共布置4個觀測站，每個觀測站觀測內(nèi)容包括巷道頂板離層、巷道表面位移[5]。

圖4、5為3#、4#測站礦壓觀測結果。3#、4#測站受底板留煤影響，巷道頂?shù)装逑鲁亮肯鄬^大，兩幫移近量在巷道掘出后也迅速增加。實測結果顯示巷道兩幫最大移近量270mm，頂?shù)装遄畲笠平?90mm，淺基點最大位移量為120mm，深基點最大位移量110mm。

圖4 3#測站巷道表面圍巖位移、頂板離層變化曲線

圖5 4#測站巷道表面圍巖位移、頂板離層變化曲線

4 結語

（1）數(shù)值模擬結果表明，鄭州礦區(qū)煤層錨網(wǎng)支護巷道理論錨桿長度2.0～3.0m，錨固長度1377.6mm，頂錨桿間距0.8m。

（2）22031上付巷從施工至回采未進行擴修和加強支護，該支護設計能夠滿足安全生產(chǎn)的要求。

（3）現(xiàn)場礦壓觀測結果表明，鄭州礦區(qū)煤層采用錨網(wǎng)支護技術能夠滿足巷道支護要求，具備安全生產(chǎn)條件。