高應力堅硬頂板煤層巷道錨桿支護方案的確定

賀永昌

（山西鄉寧焦煤集團 東溝煤業有限公司，山西 鄉寧 042100）

高應力堅硬頂板煤層巷道錨桿支護方案的確定

賀永昌

（山西鄉寧焦煤集團 東溝煤業有限公司，山西 鄉寧 042100）

針對國內某大型礦井高應力堅硬厚頂板煤層巷道錨桿支護方案的優化問題，通過分析初步確定了錨桿支護的候選方案，隨后利用數值計算各方案時巷道圍巖的穩定性，并據此確定錨桿支護方案。研究結果表明：該礦回采巷道屬于高應力堅硬厚頂板煤層巷道，屬于I類巷道頂板，巷道支護的重點應在巷道兩幫。錨桿支護參數（錨桿直徑、錨桿長度、錨桿間排距）對支護效果有較大影響。該礦條件下，幫部錨桿間排距對支護效果的影響較敏感；回采巷道幫部錨桿采用直徑18mm、長度2.4m、間排距0.8m、錨固長度0.8m時錨固效果較好，能滿足巷道穩定性要求。

堅硬頂板；回采巷道；錨桿支護；穩定性

1 概述

為了確定國內某大型礦井回采巷道錨桿支護的方案，本文利用理論分析和數值計算分析相結合的手段，分析不同錨桿支護方案下（錨桿長度、錨桿直徑、間排距不同時）巷道的圍巖破壞程度、頂板下沉量、側幫水平位移，研究其對巷道穩定性的影響程度，并據此確定巷道錨桿支護的最終方案。

2 錨桿支護方案的初步確定

國內某大型礦井位于山西沁水煤田，地理位置優越，交通便利；開采3號煤層和15號煤層。15號煤層頂板為K2石灰巖，平均厚度大約7.5 m左右，平均抗壓強度110MPa，屬于典型的Ⅰ類頂板。

根據巷道支護設計的基本原則，巷道頂板屬于Ⅰ類頂板時，頂板基本不要支護，巷道支護重點在兩幫；為了防止巷道頂板由于風化、局部破碎、地質構造等原因發生脫落，設計頂板鋪設頂網，要在頂板上打設錨桿。因此，設計錨桿長度、直徑、間排距等參數。

依據該礦的工程實際情況，并根據錨桿設計的組合梁設計理論，并按巷道寬度和網片規格，最終確定巷道頂部錨桿每排打設3根，其間距和排距分別為1.6 m和0.8 m，錨桿長度為1.8 m，直徑為16 mm-18mm。對于巷道幫部錨桿，根據前面計算結果，可得幫部錨桿長度在2.0m～2.4m之間，錨桿的直徑應該在16 mm～20 mm之間，間距和排距根據支護效果選擇0.8 m×0.8 m和1.0 m×1.0 m其中之一，錨固長度要求大于0.63 m，考慮到實際錨固效果，設計時確定為0.8m。回采巷道的幫部錨桿支護方案，如表1所示。

表1 巷道兩幫錨桿支護方案表

3 錨桿支護穩定性的數值計算

為了確定15號煤層巷道附近的巖層情況和地質條件，通過現場鉆孔取芯，并參考前期鉆孔柱狀圖，得到了15號煤層巷道附近巖層地質柱狀圖[5,6]。依據數值計算的建模原則，利用大型巖土數值計算軟件[7]，建立回采巷道的數值計算模型圖（見圖1）。

根據數值計算的建模原則和模型簡化原則，模型豎向高度為巷道頂底板各向外延伸30 m，巷道寬度方向為巷道兩幫各向外延伸30m。15號煤層上面依次為K2灰巖和砂質、炭質泥巖，下面為泥巖，其中煤層厚度4.43 m，K2灰巖厚度7.5 m，底板泥巖厚度12.9m。

為了分析回采巷道在無支護和表1的三種支護方案的圍巖穩定性數值，模型的邊界條件為：上邊界施加均布載荷，以模擬上覆巖層的自重應力；下邊界施加垂直于下表面的位移約束；左右邊界分別施加垂直于各自表面的位移約束。模型中煤巖的物理力學參數，根據現場取芯的測定結果賦值。

圖1 巷道圍巖賦存幾何模型

4 不同支護條件下的巷道穩定性

無錨桿支護條件下，回采巷道圍巖的破壞情況見圖4，從圖看出，巷道頂板、底板、幫部都發生了不同程度的破壞，尤其是巷道幫部的破壞程度較大，出現嚴重片幫。巷道底板的破壞程度相應較高，其原因是由于幫部破壞，導致底板約束減弱造成的。因此，回采巷道支護的重點應是巷道的兩幫。

在方案一條件下，錨桿長度2.0 m，直徑18 mm，間距和排距0.8m時，巷道圍巖破壞情況見圖5，從圖看到，巷道圍巖破壞區域在幫部和底板，幫部破壞區域稍大些。對比無錨桿支護情形來講，錨桿支護對于控制圍巖破壞起到很大作用；圖5中巷道頂板、底板、幫部的破壞程度都有相應減小，但其支護效果并不太理想。

方案三條件下，采用錨桿長度2.4 m，直徑18 mm，間距和排距0.8 m時，巷道的圍巖破壞情況如見圖6，從圖看出，巷道圍巖破壞區域在幫部和底板，幫部破壞區域稍大些。對比無錨桿支護情形來講，錨桿支護對于控制圍巖破壞起到很大作用；圖6中巷道頂板、底板、幫部的破壞程度都有相應減小。對比方案一和方案二的支護效果而言，圖6中巷道圍巖的破壞區域稍小些，且巷道兩幫圍巖整體性完好，幫部與頂、底板交叉處的圍巖破壞程度也很小。因此方案三的條件下，巷道支護效果已較理想。

圖3 無支護條件下回采巷道圍巖變形破壞效果圖

圖4 方案一條件下回采巷道圍巖變形破壞效果圖

圖5 方案二條件下回采巷道圍巖變形破壞效果圖

圖6 方案三條件下回采巷道圍巖變形破壞效果圖

表2 回采巷道不同支護方案下圍巖變形情況

通過數值分析不同支護方案時的回采巷道圍巖破壞區域，并據此判斷巷道圍巖的穩定性，得出了表2所示三種錨桿支護方案下回采巷道圍巖的變形信息。分析高應力堅硬厚灰巖頂板煤巷，在不同錨桿支護方案下的圍巖穩定性可以知道，從支護效果看，方案三＞方案一＞方案二＞無支護。

5 結論

錨桿支護方案的合理性設計是個重要課題。本文探討了巷道錨桿支護方案的優化問題，主要得到以下有益結論：（1）某礦回采巷道屬于高應力堅硬厚頂板煤層巷道，其頂板屬于I類巷道頂板，巷道支護的重點應在巷道兩幫。（2）錨桿支護參數（錨桿直徑、錨桿長度、錨桿間排距）對支護效果有較大影響。在某礦條件下，幫部錨桿間排距對支護效果的影響較敏感。（3）某礦回采巷道幫部錨桿，采用錨桿直徑18mm，錨桿長度2.4 m，間排距0.8 m，錨固長度0.8 m時，錨固效果較好，能滿足巷道穩定性要求。

[1] 楊雙鎖.煤礦回采巷道圍巖控制理論探討[J].煤炭學報，2010，35(11):1842-1853.

[2] 田柯，田取珍.錨桿支護參數對巷道圍巖穩定性影響研究[J].山西煤炭，2011，31(5):44-47.

[3]Itasca Consulting Group,Inc.USA.UDEC[M].Universal Distinct Element Code,version 4.0,User’s Manual.

Abstract:To the anchor support optimization for high-stress roadways with hard thick roofs,the alternative support plans are preliminarily determined after the analysis.Then the final plan is selected after the numerical calculation of each plan's surrounding rock stability.The results show that the roadways are high-pressure with type I hard-thick roof.Therefore,the supporting should be focused on the two sides.Anchor supporting parameters (including diameter,length,and row&line space)have greater effect on the supporting.In the condition of this mine,the row&line space of side bolts is sensitive to the supporting influence.Side bolts are adopted with parameters as follows:the diameter is 18mm,the length 2.4m,the row&line space 0.8m,and the anchorage length 0.8m,which could satisfy the stability requirement.

Key words:hard roofs;caving roadway;anchor support;stability

編輯：劉新光

Anchor Support Plan for High-Stress Roadways with Hard Thick Roofs

HE Yong-chang

(Donggou Coal Co.,Xiangning Coking Coal Group,Xiangning Shanxi 042100)

TD353

A

1672-5050（2012）05-0076-03

2012-02-09

賀永昌（1978—），男，山西鄉寧人，本科，助理工程師，從事煤礦開采等方面的研究工作。