深部采區(qū)煤上山巷道錨網(wǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)研究

孫樂樂，衛(wèi)豪杰，李 川

（1.淮河能源礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司煤業(yè)公司，安徽 淮南；2.安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南)

1 工程概況

1.1 煤層情況

張集礦區(qū)位于謝橋向斜北翼，主要可采煤層有：1、6、8、11-2、13-1 煤層，次要可采煤層9 層。研究區(qū)域11-2 煤層，厚度為2.7 m～3.3 m，平均3 m，黑色，以塊狀、碎塊狀為主，局部呈粉末狀，內(nèi)生裂隙發(fā)育，中部賦存一層夾矸，以泥巖為主，厚0.3 m 左右，總體傾角3～8°，平均5°。

1.2 水文地質(zhì)情況

11-2 煤層頂板砂巖裂隙水具有不均勻性，多以淋滴水為主，個(gè)別出水點(diǎn)最大出水量為20 m3/h。

1.3 巷道圍巖賦存條件

巷道直接頂、底為砂質(zhì)泥巖，灰～淺灰色，砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，砂質(zhì)含量不均?？箟簭?qiáng)度26.08 Mpa，抗拉強(qiáng)度0.67 Mpa。根據(jù)地質(zhì)資料，C 組煤采區(qū)11-2 煤頂板為Ⅲ類中等穩(wěn)定巖層；底板為Ⅲ類中等穩(wěn)定巖層。東三11-2 煤層采區(qū)回風(fēng)上山適合錨索網(wǎng)支護(hù)。

2 支護(hù)參數(shù)理論設(shè)計(jì)

2.1 支護(hù)斷面

根據(jù)淮南礦區(qū)支護(hù)經(jīng)驗(yàn)和煤巖層傾角，回采巷道設(shè)計(jì)斷面為近矩形[1-3]：凈寬×凈高=5.4 m×3.7 m。

2.2 頂板錨桿支護(hù)參數(shù)

2.2.1 頂板破碎帶高度D

具體參數(shù)取值見表1，計(jì)算破碎帶高度為0.8 m。

2.2.2 錨桿長度

具體參數(shù)見表1，將數(shù)值代入式（3）得錨桿長度為1.4m。參考現(xiàn)有支護(hù)狀況和礦壓觀測情況[4]，設(shè)計(jì)頂板，幫部錨桿長度選擇大于1.4 m 即可，選用錨桿長度2.5 m，直徑Φ20 mm，符合要求。

2.2.3 錨桿錨固力與錨固長度

2.2.3.1 錨桿錨固力

根據(jù)桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則：

具體參數(shù)取值見表1，由式（4）計(jì)算結(jié)果可知：頂板，幫部單根錨桿錨固力至少為105.19 KN。

2.2.3.2 錨桿錨固長度

根據(jù)《淮南礦區(qū)錨桿支護(hù)技術(shù)管理規(guī)范》，錨桿采用Ф20 mm、L=2 500 mm。

公式（5）中參數(shù)的選取依據(jù)P =Ldπ p及作用力與反作用力。具體參數(shù)取值見表1，頂板，幫部實(shí)際錨固長度為700 mm＞163.3 mm，滿足需求。

2.2.4 支護(hù)密度及間排距

具體參數(shù)取值見表1，由式（6）得PS=0.33 根/m2,取頂板錨桿間距0.75 m，則排距為：

參考巷道現(xiàn)有支護(hù)狀況，設(shè)計(jì)頂板，幫部錨桿間排距為750 mm×900 mm，滿足要求。

2.2.5 錨桿托盤

選用M 形金屬托盤[5]，托盤強(qiáng)度要不低于165 KN。托盤用屈服強(qiáng)度大于235 Mpa 的鋼材加工，厚度不小于8 mm，其中心孔直徑24 mm。

故頂板，幫部錨桿支護(hù)參數(shù)如下：錨桿選材為：Φ20 mm、L=2 500 mm 左旋無縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為750 mm×900 mm，錨固力不得小于100 KN。

2.3 錨索支護(hù)參數(shù)

2.3.1 冒落拱高度計(jì)算

計(jì)算冒落拱高度0.79 m。

2.3.2 錨索長度

計(jì)算得錨索的長度2.29 m。選用6.3 m 滿足要求。

2.3.3 錨索間排距的確定根據(jù)懸吊理論計(jì)算

由式（9）得Ps=0.48 根/m2，取頂板錨索間距1 m。則排距為=2.08m。錨索間排距取1 100 mm×900 mm，滿足理論計(jì)算要求。

2.3.4 錨索布置方式

11-2 煤采區(qū)工作面回風(fēng)上山采用錨梁網(wǎng)（索）進(jìn)行支護(hù)[6]，斷面為矩形斷面，尺寸為5 400 mm×3 700 mm。頂板，幫部錨桿均采用Ф20 mm×2 500 mm，間排距為750 mm×900 mm；錨索規(guī)格為Ф=22 mm×6 300 mm，間排距為1 100 mm×900 mm，3-3-0 布置。

3 支護(hù)方案優(yōu)化

3.1 幫部支護(hù)方案優(yōu)化

如表2 所示為具體的幫部支護(hù)方案優(yōu)化。

表2 幫部支護(hù)方案優(yōu)化

如圖1 所示，選擇方案一時(shí)，巷道圍巖塑性破壞范圍較大，兩幫為1.85 m，頂板為1.14 m，底板為1.12 m；在方案二與方案三支護(hù)情況下，巷道圍巖塑性破壞范圍較小，兩幫分別為1.45 m、1.36 m，頂板分別為1.08 m、1.02 m，底板分別為1.11 m、1.03 m，兩者相差不大。綜合考慮安全因素與經(jīng)濟(jì)效益，選定方案二作為巷道幫部支護(hù)方案。

圖1 巷幫錨桿支護(hù)方案與巷道圍巖變形量關(guān)系

3.2 頂板支護(hù)方案優(yōu)化

如圖2 所示，選擇方案一時(shí)，巷道圍巖塑性破壞范圍較大，兩幫為1.48 m，頂板為1.08 m，底板為1.12 m；在方案二與方案三支護(hù)情況下，巷道圍巖塑性破壞范圍較小，兩幫分別為1.43 m、1.38 m，頂板分別為0.82 m、0.74 m，底板分別為1.02 m、0.98 m，兩者相差不大。綜合考慮安全因素與經(jīng)濟(jì)效益，選定方案二作為巷道頂板支護(hù)方案。

圖2 頂板支護(hù)方案與巷道圍巖塑性區(qū)破壞范圍關(guān)系

如表3 所示為具體的頂板支護(hù)方案優(yōu)化。

表3 頂板支護(hù)方案優(yōu)化

3.3 錨索支護(hù)方案優(yōu)化

如表4 所示為具體的錨索支護(hù)方案優(yōu)化。

表4 錨索支護(hù)方案優(yōu)化

如圖3 所示，選擇方案一時(shí)，巷道圍巖塑性破壞范圍較大，兩幫為1.48 m，頂板為0.8 m，底板為1.12 m；在方案二與方案三支護(hù)情況下，巷道圍巖塑性破壞范圍較小，兩幫分別為1.14 m、1.11 m，頂板分別為0.6 m、0.53 m，底板分別為1.02 m、0.88 m；綜合考慮選定方案二為巷道幫部支護(hù)方案。

圖3 錨索支護(hù)方案與巷道圍巖塑性區(qū)破壞范圍關(guān)系

4 11-2 煤層回風(fēng)上山錨桿索支護(hù)方案

4.1 頂板支護(hù)

頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)第一部分由錨桿和M5 鋼帶組成。每根M5 鋼帶上安裝7 根錨桿，頂板錨桿規(guī)格：Φ20×2 500 mm，頂板鋼帶長度為4 800 mm。

第二部分由14#槽鋼和錨索組成。頂板錨索采用“3-3-0”布置，均使用2 600 mm 長14#槽鋼，錨索規(guī)格為：Φ22×6 300 mm。

第三部分是金屬網(wǎng)，采用10#金屬網(wǎng)。網(wǎng)應(yīng)封閉頂幫巖煤體，相鄰網(wǎng)搭接長度不得低于100 mm，連網(wǎng)扎扣間距不超過200 mm。

4.2 幫部支護(hù)

幫部支護(hù)結(jié)構(gòu)第一部分由錨桿和M5 鋼帶組成。幫部鋼帶采用豎直布置，長度為2 500 mm，其上布置5 根錨桿；巷幫錨桿規(guī)格：Φ20×2 500 mm。

第二部分是10#金屬網(wǎng)。幫部網(wǎng)至底角，網(wǎng)應(yīng)封閉頂幫巖媒體，相鄰網(wǎng)搭接長度不得低于100 mm，連網(wǎng)扎扣間距不超過200 mm。

5 實(shí)際應(yīng)用效果

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測，在運(yùn)用該改進(jìn)方案后，11-2 煤采區(qū)回風(fēng)上山的支護(hù)效果與改良前效果相當(dāng)，頂?shù)装宓膰鷰r支護(hù)條件得到了改善，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平颗c錨桿（索）載荷逐漸上升并最終穩(wěn)定。巷道圍巖變形在可控范圍內(nèi)，初始支護(hù)設(shè)計(jì)方案能夠滿足安全支護(hù)需要，考慮本巷道用途及使用年限比較短，支護(hù)設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)還可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，C 組煤采區(qū)11-2 煤頂板為Ⅲ類中等穩(wěn)定巖層；底板為Ⅲ類中等穩(wěn)定巖層。東三11-2 煤層采區(qū)回風(fēng)上山適合采用錨索網(wǎng)支護(hù)。

（2）基于計(jì)算的支護(hù)參數(shù)提出具體支護(hù)方案為：頂板采用M5 鋼帶上安裝7 根錨桿加"3-3-0"布置錨索和10#金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，幫部支護(hù)采用M5 鋼帶上布置5 根錨桿和10#金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

（3）經(jīng)實(shí)測，優(yōu)化后的支護(hù)方案滿足巷道使用要求，適當(dāng)減少錨桿用量的同時(shí)能達(dá)到支護(hù)要求,能大幅減短支護(hù)耗時(shí),提升掘進(jìn)速度，提高礦山的效益。