霍爾辛赫礦井大斷面煤巷錨網支護技術研究

張軍鵬

（山煤國際霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046600）

霍爾辛赫礦井大斷面煤巷錨網支護技術研究

張軍鵬

（山煤國際霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046600）

為解決霍爾辛赫礦井大斷面煤巷錨桿支護體系的存在問題，先從理論上分析現存問題的原因，并找出關鍵因素：錨桿（索）的預應力在支護系統中起關鍵性作用。采用數值模擬計算方法，分析錨桿預緊力、長度、間距、錨固方式、角度、鋼帶、及錨索預緊力的不同應力效果。在霍爾辛赫開拓巷道和3201首采工作面巷道進行井下工業性試驗及對錨桿（索）受力進行監測，得出高預應力強力錨桿錨索支護系統（錨桿預緊扭矩400N·m、錨索預緊力300kN）可有效提高支護效果，能有效控制圍巖變形。

錨桿支護；加長錨固；強力支護；聯合支護

1 霍爾辛赫井田的概述

霍爾辛赫井田屬沁水煤田，地處長治市長子縣，面積71.3946km2，開采3號煤層，平均厚度5.65m。設計能力300mt/a，服務年限60.3a，屬基建轉生產礦井。根據開采煤層賦存特點、頂底板巖性，礦井巷道大部分沿煤層布置。由于地質條件復雜、巷道斷面較大、三叉口和四叉口處斷面更大、特點顯著，加之煤層較破碎，造成巷道支護困難，大多產生底臌現象。為公司巷道支護技術在高起點快速發展，為礦井高效、節約化生產創造良好條件；須對大斷面煤巷的支護設計進行全面、系統、深入的研究和試驗，提高巷道支護效果，降低支護成本，從而促進礦井快速高效建設和實現高產高效，具有十分重要的意義。

2 大斷面煤巷錨網支護的因素探析

錨網支護受到圍巖強度、結構、應力等許多因素影響，因而找到影響錨網支護的關鍵點，就成為有效提高錨網的及時支護能力、改善巷道支護效果的重中之重?；魻栃梁盏V井雖用過錨網支護等多種支護方式，但在圍巖地質條件差的地段，巷道的錨網支護效果并不好，巷道變形劇烈、破壞區域較大、錨網及時支護的特征沒能發揮出來，具體表現：（1）錨桿施工時的預應力較小，又形成被動支護，不能有效及時控制巷道巖層間早期的離層、錯動、裂隙，導致圍巖的整體性和強度大大降低、巷道圍巖出現較大變形。（2）錨網支護的組合構件（如：托梁、托盤等）強度不足，故在巷道圍巖應力集中的破碎地段的這些組合構件常有被拉脫、剪斷的狀況，應力更大時托盤會被壓翻卷或者出現局部裂隙破碎。（3）錨網支護的護表構件，例如：金屬網等力學特性與支護用錨桿的強度不匹配，致使錨桿（索）間的圍巖鼓大、突出、變形明顯；一方面很大影響錨網的支護效果，二方面使得巷道斷面變小、而致不能有效使用。

從因素分析可知［1-3］，增強錨網支護整體的強度是重中之重，主要途徑有三條：（1）給錨桿（索）施加強大的預應力，并通過組合構件（如：托板、鋼帶等）實現有效擴散。（2）改端部錨固為加長錨固，使錨桿桿體對巷道圍巖的離層、錯動十分敏感，起到及時抑制巷道圍巖的錯動、離層。（3）采用先進的錨桿緊固施工器具，使得施工中能給錨桿施加高強的預應力。

3 支護參數對支護效果的數值模擬分析

采用三維有限差分數值計算軟件FLAC3D，在零原巖應力場條件下，分析錨網支護參數施加的應力場分布特征與影響因素，得出以下結果：（1）給錨桿施加高強預應力條件下，支護產生的預應力區域相互連接，形成范圍很廣的有效壓應力區、布滿整個頂板，錨桿主動支護的效果得到很好體現，見圖1。

圖1 不同預緊力時的錨桿支護附加應力場分布

（2）在預緊力一定的條件下，隨著錨桿長度的增加，預緊力對圍巖的支護壓應力越來越不明顯，主動支護的效果性越差。因此，錨桿越長施加的預緊力應越大。（3）在預緊力一定的條件下，隨著排排錨桿間距的縮減，形成的支護壓應力區逐漸靠攏、相互重疊，形成交互的整體結構，預緊力及主動支護效果擴展到絕大部分錨網支護區域；當排排錨桿數量增加到某個臨界點后，再增加錨桿數量，對錨網支護有效壓應力區的擴展作用不顯著。（4）在預緊力一定的條件下，端部錨固時，錨桿支護形成的有效壓應力區的厚度較大，形成類似“葫蘆”狀的壓應力分布區；加長錨固時，形成的有效壓應力區的厚度較小，形成類似“錐體”狀的壓應力分布區。因此，在僅考慮錨桿預應力時，加長錨固的效果低于端部錨固。擴散加長錨固預應力效果的可靠途徑是先施加預應力、錨固劑后固化，形成類似于預應力鋼筋混凝土的特征結構，見圖2。（5）近水平煤層巷道中，頂板角部錨桿最大角度不應超過5°，最好垂直布置。（6）增加鋼帶可使錨桿相互形成整體，實現預應力的有效擴展，顯著提高錨桿對圍巖的整體效果。（7）當給錨索的預緊力達到300kN時，錨索尾部附近形成的壓應力值達到0.5mPa，在錨索自由段長度范圍內，形成了相互連接、相互疊加的壓應力區，使錨索預應力對圍巖的主動支護作用越明顯；同時，錨索間形成骨架式網狀結構，錨索對圍巖的支護作用更加顯現，見圖3。

圖2 不同錨固方式錨桿的支護附加應力場

圖3 不同錨索預緊力的支護附加應力場分布

4 大斷面煤巷的錨桿支護試驗

4.1 霍爾辛赫開拓時大斷面巷道

（1）地質及生產條件。開拓大巷采用“三進兩回”布置，中間為主運大巷，兩側為東西輔運大巷和東西回風大巷，巷道間距60m。東輔運大巷現掘進長度650m，沿3號煤層頂底板掘進、平均厚度5.65m，煤質松軟。煤層偽頂是平均0.28m的泥巖，直接頂是平均11.96m的砂質泥巖，老頂是平均7.86m的中粒砂巖。直接底板為平均1.18m的泥巖，老底為平均3.36m的細粒砂巖。從開拓地質條件看，受到陷落柱、斷層、褶曲等構造應力的影響，表現為高應力條件下的深井軟煤層開采。

（2）支護方案：東輔運大巷的凈斷面5m×5.25m，掘進斷面5.2m×5.6m，采用上下臺階兩次掘進方法。參照設計并經數值模擬計算分析，選用加長預應力錨網強力支護系統，頂板錨桿桿體選用MSG500號Φ22mm螺紋鋼、長度2.4m，錨桿排距900mm，每排6根，間距900mm；使用2支低粘度樹脂藥卷加長錨固，規格為Z2360和K2335；使用Φ16mm鋼筋焊接的托梁護頂，鋼帶寬度80mm、長度4900mm；使用6號鋼筋焊接的金屬網護頂，規格2000mm×1000mm；錨索選用Φ22mm，1×19股高強度鋼絞線，長度7300mm。每排錨桿間打2根錨索，錨索排距1800mm，間距1800mm。巷幫錨桿形式和規格同頂錨桿，錨桿排距900mm，每排7根，上臺階間距850mm、下臺階間距800mm；使用1支低粘度樹脂藥卷錨固，規格為Z2360；采用Φ16mm鋼筋焊接的托梁護幫，鋼帶寬度80mm，上臺階長度2950mm，下臺階長度2800mm；使用6號鋼筋焊接的金屬網護頂，規格2000mm×1000mm；巷幫錨索材質同頂錨索，長度5300mm。每排錨桿間打4根錨索，排距1800mm，上臺階間距1000mm、下臺階間距1200mm。錨桿預緊扭矩都為400N·m，錨索預緊力都為300kN。巷道支護布置見圖4。

圖4 東西輔運大巷支護簡圖

（3）礦壓監測：使用錨桿測力計和測力錨桿，對加長預應力錨網支護錨桿實際受力狀況進行監測，結果如下：巷道剛開始掘進期間，兩幫移近量40mm，頂底板移近量80mm，巷道變形量不大。巷道掘進累計4m～15m時，錨桿的受力變化較大，之后趨于穩定。錨桿受力沿長度方向不均勻分布，孔口處最小，在距孔口700m～950mm處受力最大；950mm至錨固端各部位受力基本保持不變。從礦壓監測結果看出，加長預應力錨網強力支護系統的效果優良，可有效控制圍巖變形。

4.2 霍爾辛赫3201工作面大斷面巷道

（1）地質及生產條件。3201工作面為首采工作面，切眼全長200m，沿3號煤層頂板掘進，煤層平均厚度5.52m，煤質松軟。3號煤層偽頂是平均0.38m的泥巖，直接頂是平均8.96m的砂質泥巖，老頂是平均5.86m的中粒砂巖。直接底板為平均0.98m的泥巖，老底為平均3.36m的細粒砂巖。從掘進地質條件看，受到陷落柱、斷層、褶曲等構造應力的影響，表現為高應力條件下的深井軟煤層開采。

（2）支護方案：3201工作面開切眼的支護斷面7.5m×2.95m，使用內外側幫兩次掘進方法。參照設計并經數值模擬計算分析，選用加長預應力錨網強力支護系統。頂板錨桿桿體選用MSG500號Φ22mm螺紋鋼，長度2.4m。錨桿排距900mm，每排10根，外側幫間距900mm、內側幫間距800mm。使用2支低粘度樹脂藥卷加長錨固，規格為Z2360和K2335。采用Φ16mm鋼筋焊接的托梁護頂，鋼帶寬度80mm，外側幫長度4000mm，內側幫長度3500mm。采用16號鐵絲編制的菱形網護頂，錨索材料Φ22mm，1×19股高強度鋼絞線，長度7300mm。每兩排錨桿間打6根錨索，內外側都為三花布置，錨索排距900mm，外側幫間距1800mm、內側幫間距1600mm。外側巷幫錨桿形式和規格同頂錨桿，內測幫錨桿采用玻璃鋼錨桿，桿體直徑20mm，長度2.0m，使用2支低粘度樹脂藥卷錨固，規格為Z2360和K2335。采用Φ16mm鋼筋焊接的托梁護幫，鋼帶寬度80mm，長度2800mm。外側幫采用金屬網護幫，內側幫采用高分子塑料網護幫，網孔規格50mm×50mm，網片規格2900mm×1000mm。錨桿排距900mm，每排4根，間距800mm。錨桿預緊扭矩都為400N·m，錨索預緊力都為300kN。巷道支護布置示意圖，見圖5。

圖5 3201開切眼支護簡圖

（3）礦壓監測：3201切眼錨桿受力見圖6，從監測結果得出，錨桿初始預緊扭矩400N·m時，錨桿初始預緊力42kN～100kN之間，此后錨桿受力基本穩定，說明錨桿初始預緊力設計合理，能很好控制巷道圍巖，防止圍巖離層、破碎擴容的發生，保持其完整性，充分發揮其主動支護作用。其中錨桿受力最大為100kN，低于錨桿破斷載荷，說明錨桿支護設計合理。3201切眼錨索受力見圖7，從圖得出，錨索初始預緊力為280kN和300kN，此后由于受到掘進動壓的影響，錨索逐漸增加，最后錨索受力始終保持在300kN左右，說明錨索初始預緊力300kN設計基本合理，能夠很好控制頂板離層、變形破碎的發生，充分發揮主動支護作用，防止頂板垮落冒頂事故發生。

圖7 3201切眼錨索受力監測曲線

5 結論

（1）研究發現，霍爾辛赫大斷面煤巷變形破壞形式主要表現為：兩幫內擠、片落；平頂巷道頂板彎曲下沉、斷裂；底板底臌。（2）針對霍爾辛赫大斷面煤巷圍巖變形特征，使用高預應力、高剛度、高強度錨網支護系統，可實現一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護和巷道維修。（3）數值模擬分析得出，霍爾辛赫大斷面煤巷應加強頂板和兩幫支護，防止頂板垮落和兩幫片幫現象發生。（4）通過霍爾辛赫首采工作面開切眼等煤巷現場支護試驗表明，高預應力、高剛度、高強度錨桿錨索支護系統能夠抵抗礦井大斷面煤巷的各種壓力顯現，支護效果明顯，巷道兩幫位移量和頂板下沉量最大僅為10mm，能夠滿足現場生產需要，試驗效果良好。

[1] 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業出版社，2007.

[2] 吳擁政.全長預應力錨固強力支護系統的應用研究[J].煤炭科學技術，2011,39（11）:27-30.

[3] 山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，煤巷錨桿支護技術研究[R]，山西：山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，2010.

Anchor Nets Support Technology in Large Section Coal Roadways of Huoerxinhemine

ZHANG Jun-peng
(Shanxi International Huoerxinhe Coal Co.,Changzhi Shanxi 046600)

To solve the problems of bolt supporting system in the large section roadways of Huoerxinhemine,we analyzed the causes and found out that the prestress of bolt(anchor)was the key in the system.Statistical simulation was used to study the bolt preload,lengths,intervals,anchoring patterns,angles,steel belts,and stress effects of anchor preload.Though industrial testing andmonitoring of bolt and anchor stress,a high prestress intensive bolt-anchor support system was established with 400N·m bolt pre-torque and 333KN anchor preload,which could improve the supporting effect and control the surrounding rocks deformation effectively.

bolt support;extended anchor;intensive support;combined support

TD353

A

1672-5050（2012）10-0046-04

2012-07-09

張軍鵬（1981—），男，山西陽城人，大學本科，工程師，從事煤礦生產技術管理工作。

樊 敏