錨網索支護在山、野青二次采動下薄煤層巷道中的應用

摘要：大力公司為峰峰集團有限公司的一個衰老破產重組礦井，目前礦井所剩儲量極為有限，現正在進行大巷煤柱及邊角殘煤的回收，礦井已處于停產閉井的邊緣。如何在有限的井田范圍內尋找煤炭資源，延長礦井壽命，已成為大力公司急待考慮和解決的問題。

關鍵詞：錨網索支護 薄煤綜采

為了充分延長礦井壽命，我們選擇在礦井水文地質條件較簡單，開采條件較好的-50～-125水平地區，利用現有生產系統，采用薄煤綜采技術，對山、野青采空區上覆一座薄煤層進行復采。

1 基本概況

1.1 地質情況

5309一座煤工作面溜子道地區地質構造比較簡單，基本為單斜構造。該區域煤巖層走向近似南北或北西，傾向為東或東北，傾角6～16°，平均11°，局部煤巖層傾角達18°。另外，由于該區域山野青煤層兩次采動破壞，在一座煤層將有可能形成新的小斷層，對掘進施工有一定影響。

1.2 煤層及頂底板巖性

該區域一座煤層直接頂板為深灰色沙質頁巖，層理不清較致密，含有矽質結核和鈣質結核包裹體，厚度平均2.5m，易冒落；老頂為灰黑色粉砂巖及細砂巖互層，條帶明顯層理發育，厚度平均3.0m；一座煤層厚度平均0.7m，煤層結構簡單無夾石，煤質較好；底板為灰黑色細粉砂巖互層，層理發育灰黑色線紋，含有植物根部化石，厚度平均3.0m。受該區域山野青煤層兩次采動破壞，預計一座煤層及頂底板巖層會出現不同程度的開裂和破碎現象，給掘進施工頂板管理造成一定困難。

2 錨桿網錨索聯合支護設計

2.1 錨桿作用機理

錨桿作用機理有懸吊作用、組合梁（拱）作用、擠壓加固作用和減跨作用等。這幾種觀點都是以圍巖狀態和利用錨桿體受拉為前提來解釋錨桿支護的作用機理。

在錨桿與圍巖相互作用過程中，錨桿通過托板與錨頭對圍巖提供支護抗力，阻止破裂巖石產生有害變形（影響圍巖穩定和工程使用的變形），使圍巖保持穩定并將其變形限定在允許的范圍內形成組合梁起到擠壓加固作用。

錨桿的工作應力取決于圍巖松動圈的穩定位置。結合圍巖與錨桿支護的客觀實際情況，考慮到錨桿與圍巖的相對不密貼性及錨桿桿體在應力增加時的彈性變形，錨桿將在達到工作拉力前（既30～40KN）產生伸長，它將使圍巖松動圈的碎脹力得到部分釋放，這就是單體錨桿的受力狀態。當采用錨桿支護時，錨桿受拉是由圍巖松動圈的發生和發展而引起的。

因此，頂部錨桿支護方式的選擇應主要按組合梁擠壓加固作用來考慮，同時要求錨桿具備一定的抗剪強度來阻止層間滑移；此外，肩窩處的錨桿應具備一定的安裝角度，目的是把頂板自承力結構的主要支點盡量移向兩幫煤體的深部，避免肩窩處的煤幫應力過分集中而被壓剪破壞；巷幫煤體以塊狀及片狀結構為主，煤體沿傾向滑移是煤幫塑性變形的主要形式，錨桿的作用主要是提供軸向約束力；另外，兩幫煤體與頂、底板的接觸處應力較為集中，幫錨桿同頂錨桿一樣也需要一定的安裝角度，目的是把錨桿端部深入到頂、底板的巖層中，起到類似于懸吊的作用。

2.2 錨索作用機理

錨桿支護的同時配以錨索補強加固。錨索采用直徑為17.8mm的有一定彎曲柔性的鋼絞線通過鉆孔錨固在圍巖深部，是對圍巖進行加固補強的一種手段。配合錨索進行支護的加固范圍、支護強度、可靠性是單一錨桿支護所無法比擬的。

2.3 金屬網的作用

由于巷道頂板有開裂的地方，所以在錨桿錨索支護中加上金屬網，即使巷道局部有小的巖塊掉下，只能形成網兜，能保證頂板的完整，又保證過往的工作人員不受傷害。

2.4 巷道形狀及規格

巷道采用矩形或斜頂矩形斷面，掘進工藝為炮掘，巷道規格為凈寬2.6m（掘寬2.8m），凈高2.0m（掘高2.1m）。

2.5 支護參數

按照《峰峰集團有限公司煤巷樹脂錨桿支護技術規范》并結合該工作面實際情況確定：

頂錨桿間排距700mm，每排4根錨桿，靠近巷幫的頂錨桿與垂線成20°。幫錨桿間排距700mm，兩幫各布置3根錨桿，靠近頂板的巷幫錨桿與水平線成10°夾角，靠近底板的巷幫錨桿與水平線成15°夾角。

錨索試驗初期（采用φ17.8的鋼絞線）于巷中布置一排，間距2.1m。斷層破碎帶、交岔口及巷道超寬處的錨索布置可根據井下實際情況進行確定。

2.6 支護材料

錨桿采用等強度左旋螺紋鋼錨桿，錨桿規格為φ20×1800mm，錨桿配件采用120×120×8mm的穹形金屬托盤、半球墊、減磨尼龍墊片和M22快裝螺母（快裝螺母的破壞扭矩必須保證在130～160Nm之間）。用CK2350和Z2360樹脂錨固劑各1支加長錨固。并采用0.8×4.6m菱形金屬網（采用12#鉛絲編制），網孔40×40mm，配合φ14mm長度2.8m H形鋼筋梁維護巷道頂板。

兩幫采用φ18×1800mm等強度左旋螺紋鋼錨桿，錨桿配件采用120×120×8mm金屬托盤、M20×25的加厚螺母，采用CK2350、Z2360樹脂錨固劑各1支加長錨固，兩幫煤體部分掛金屬網。當錨桿與托板無法保持垂直狀態時也應采用半球墊。

錨索加固采用φ17.8×6000mm鋼絞線和300×300×80mm木托板及200×200×16mm的鋼托板，用一支CK2350和二支Z2360樹脂錨固劑加長錨固。當錨索與托板無法保持垂直狀態時也應采用錨索專用半球墊及球墊座。

2.7 施工機具

巷道掘進采用鉆爆法施工。選擇ZOS-50/300手持式氣動風鉆和YJ-24型氣腿式風錘打眼，ZYP-17型耙斗裝巖（煤）機裝罐，JD-11.4型或JD-25型調度絞車牽引MG1.1-6A型固定礦車運輸。爆破工藝選擇“三小”光爆施工法，即打炮眼的鉆頭為φ32mm的柱齒形（或一字型），炸藥為φ27mm礦用乳化炸藥，爆破采用反向裝藥、其炮眼布置、裝藥量等參數施工區隊根據巷道斷面和圍巖性質制定爆破圖表。

錨桿支護施工機具的選擇：頂板采用MQT-130C3型風動錨桿機，φ27mm鉆頭，B19×0.9m和B19×1.8 m鉆桿打眼，并配合快裝器（應與快裝系統相匹配）實現錨桿快速安裝和螺母的初步預緊，等一排錨桿施工結束時若錨桿的預緊扭矩達不到要求值時再采用BK42型風動扳手二次預緊至要求值。煤幫用MQTB-60型風動幫錨桿機打眼并安裝，φ27mm鉆頭，B19×1.8m鉆桿濕式打眼，BK42型風動扳手預緊至要求值。錨索采用MQT-130C3型風動錨桿機、φ27mm鉆頭、B19mm×6m組合鉆桿打眼，配合QI-19型錨索安裝器實現錨索快速安裝，利用錨索張拉泵完成預應力緊固。

3 施工工藝和技術要求

3.1 施工工藝

頂板錨桿施工工藝流程：

掘進→臨時支護→標記頂板孔眼→鉆頂板中部錨桿孔→清孔→鋪金屬網→托上鋼筋梁→安裝樹脂藥卷和錨桿→用錨桿機攪拌藥卷至規定時間→停止攪拌并等待1分鐘→上緊螺母、再次預緊→安裝頂板兩側錨桿。

兩幫錨桿施工工藝流程：

鉆孔→清孔→鋪金屬網→安裝樹脂藥卷和錨桿→攪拌藥卷至規定時間→停止攪拌并等待1分鐘→上緊螺母、再次預緊。

3.2 技術要求

①頂錨桿預緊扭矩≥250NM，預緊力≥80KN，錨固力≥100KN；幫錨桿預緊扭矩≥200NM，預緊力≥40KN，錨固力≥80KN。

②錨桿孔深小于錨桿長度80mm，安裝螺母后外漏長度不大于50mm。

③錨索錨固力≥260KN，安裝鎖具后外漏長度不大于300mm。

④錨桿錨索間排距誤差不得超過設計值100mm。

⑤掘進要求按設計尺寸施工，保證成形質量。不得超挖或欠挖，巷道掘進尺寸與設計尺寸相差不得超過200mm。

⑥臨時控頂距不得超過排距，掘進一排后要及時安裝頂板錨桿，當頂板破碎時應適當縮小間排距。

⑦錨桿鉆孔采用風動錨桿機完成。先用0.9m短釬桿，后換1.8m長釬桿，采用直徑27mm鉆頭打眼。

⑧堅持隨時敲幫問頂，并使用好迎頭臨時支護，嚴禁空頂作業。

⑨建立施工原始記錄臺帳和頂板巖性觀測記錄，實行動態管理。

4 綜合技術經濟效益分析

4.1 社會安全效益

5309一座煤工作面風道原使用工字鋼梯形棚子支護，鋼材及坑木消耗量大，施工安裝及回撤工字鋼棚子費工費時，工人體力消耗量大。5309一座煤工作面溜子道采用錨桿錨索聯合支護后明顯減輕工人勞動強度，改善了作業環境，減小了輔助運輸工作量，有利于提高掘進工效和減輕上下山輔助運輸過程中的不安全因素，有利于礦井安全生產。

4.2 技術經濟效益分析

錨桿錨索聯合支護與礦用工字鋼支架相比，其技術與經濟優越性突出表現在：

①錨桿支護是主動支護，能及時加固破碎有裂隙的圍巖減小松動時間，支護效果好，材料消耗低。

②錨桿支護動壓適應性強，適用于受采動影響地區巷道掘進施工。

③礦用工字鋼支架對巷幫頂板控制范圍小，板皮不能全斷面支護，圍巖松動較大，支護回撤后安裝單體液壓支柱其護幫能力更低。錨桿支護對巷幫支護效果好，能有效防止片幫現象。

④采用錨桿支護每米巷道所用成本為737元，工字鋼架棚支護每米巷道成本為1564元，并且錨桿支護較架棚支護還可減少巷道維護費用及輔助運輸工時費。綜上所述，與工字鋼支架相比采用錨桿支護每米巷道直接費用可減少827元，經濟效益顯著。

5 結束語

實踐證明，大力公司通過對山、野青二次采動下薄煤層巷道圍巖支護條件、錨桿支護機理的分析，合理選擇了錨桿支護方式和參數，收到了良好的技術效果和經濟、社會效益。