錨網索支護技術在近距離煤層采空區下巷道中的應用

李彥軍

（大同煤礦集團公司 煤峪口礦，山西 大同 037041）

煤峪口礦井田開采的11號、12號層與14號層間距一般為5.5～9.36m，平均7.96m，屬于近距離煤層開采。上覆11號層為厚煤層（煤厚7m以上），采用上下分層開采方法均已開采；下面的14號層受上層采空區集中應力影響，巷道一般壓力較大，一直采用U29型五節金屬拱支護，巷道支護成本接近每米3500元，支護費用相當高。

1 立項原因

煤峪口礦14號層307盤區5707巷上覆為11號層采空區，層間距8～11m，11號層采空區積水已由相鄰14號層307盤區2707巷排出；5707巷掘進前期的掘進期間巷道圍巖穩定，故將其原設計U29五節拱棚聯合支護改變為錨桿、錨索掛金屬網支護；掘進斷面由原設計4.5 m×3.0m五節拱型斷面改變為3.3m×2.6m矩形斷面。

2 研究內容

2.1 技術論證可行性

1）5707巷與上賦11號層的層間厚度8 m以上，目前圍巖狀況良好，直接頂為深灰色粉砂巖細粒砂巖、均厚3.2m；老頂為灰白色粗砂巖、灰黑色粉砂巖、均厚8.3 m；前期掘進期間頂板無離層現象。

2）上賦空區內原賦存積水12204m3，由于目前14號層2707巷以掘進完畢，且2707巷低于現掘5707巷，大部分積水均由2707巷排出，目前5707巷頂板淋水少，且施工隊組按探放水措施要求施工放水孔積極排水。

3）14號層8707工作面煤層近水平展布，地質構造簡單，無大型斷層、裂隙等地質構造。

4）14號層8707工作面服務年限較短，僅為6個月。5707巷用途為行人、運輸、通風等，故3.3m×2.6m矩形斷面完全能滿足需要。

2.2 支護參數的計算

1）采用解析法確定單體錨桿的支護參數

①錨桿長度L 的確定：L=l1+l2+l3.

式中：l1為錨桿外露長度，取100 mm；l2為有范圍、易調查，確定的易碎直接頂厚度，煤峪口礦14號層頂板圍巖屬于Ⅱ、Ⅲ類較穩定或中等穩定圍巖，取值范圍為400～1500mm。l3為深入穩定巖層長度，按錨固粘結力（πdτcl3）等于桿體屈服或拉斷承載力而得算式：

式中：d 為錨桿直徑，20mm；σt為桿體材料的設計抗拉強度，φ20螺紋鋼錨桿設計抗拉強度550MPa。τc為錨桿與樹脂的粘結強度，螺紋鋼取5.0 MPa。所以錨桿長度L=l1+l2+l3=100+（400～1 500）+550=（1 050～2 150）mm，取值確定錨桿長度2000mm。

②按錨桿桿體承載力P 與錨固力Q 等強度原則，確定錨桿直徑d∶P=πd2σt/4=Q。d=1.13（Q/σt）0.5.

式中：Q 為按煤峪口礦現場錨固力拉拔試驗數據，取49 000 N；σt為錨桿桿體材料的設計抗拉強度，按普通低碳鋼抗拉強度，取值420MPa。

所以d=1.13（49000/（420×106））0.5=0.0124m=12.4 mm。錨桿直徑選擇為20mm大于12.4mm，可滿足支護需要。

③確定錨桿整體參數：綜合國內某些單位采用的錨桿參數和國外關于錨桿參數的某些經驗規定，可按下式確定錨桿參數。錨桿長度：L＝N（1.1＋B/10）。

式中：B 為巷道或硐室跨度，5707巷取3.5m。N 為圍巖穩定性影響系數，規定如下：Ⅱ類(穩定性較好)圍巖，N=0.9；Ⅲ類和(中等穩定)圍巖，N=1.0；Ⅳ類(穩定性較差)圍巖，N=1.1；Ⅴ類(不穩定)圍巖，N=1.2。根據頂板現狀分析，提高支護的安全系數，選用Ⅳ類穩定性較差圍巖N=1.1時，則：L5707=N（1.1+B/10）=1.1（1.1+3.5/10）=1.595m.

④按懸吊理論計算錨桿整體參數：若用錨桿把不穩定的軟弱巖層懸吊在堅固巖體上，按懸吊理論計算，見圖1。

圖1 懸吊理論計算錨桿整體參數

錨桿長度：L=KH＋L1＋L2.

錨桿間距：根據錨桿的錨固力應等于或大于被懸吊軟弱巖層重量的原則確定，即有Q≥KHD2·γ。則有

式中：Q 為錨固力，t，根據現場拉撥試驗，取5t；γ 為軟弱巖層平均容重，t/m3，查表取2.05t/m3；K 為安全系數，取K=2；H 為冒落高度，取H=1.1。

故取錨桿間距D 為0.9～1.0m。通過驗算，14號層5707巷選擇φ20螺紋鋼錨桿，配合金屬網支護煤層頂板，可滿足支護需要；選擇錨桿排間距小于等于1.0m 可滿足正常條件下頂板支護的需要。

2）錨索參數的設計

①錨索長度的確定：為了加強錨固體的強度，減少頂板冒落，采用預應力錨索作加強支護。采用低松弛、高強度鋼絞線，直徑17.8 mm，該鋼絞線的最低破斷載荷345kN，應用懸吊理論計算，錨索長度：L=l1+l2+l3.

式中：L 為錨索長度；l1為錨索外露長度，取0.30 m；l2為巷道頂板潛在破壞范圍，取L2=2.01m；l3為錨索伸入老頂長度，可按l3=dσt/（4τc）計算。

式中：d 為錨索直徑，取17.8mm。σt為錨索鋼絞線的抗拉強度，345kN的破斷載荷作用在φ17.8mm的鋼絞線上，相當于強度1387MPa，所以σt取1387MPa。τc為鋼絞線與樹脂粘結強度，取10MPa。代入數據L3=0.624m。

算得：L=0.3+2.01+0.624=2.934m。從計算結果與14號層307盤區8707面掘進地質說明書分析，直接頂為深灰色粉砂巖、細粒砂巖互層，厚度1.6～4.8 m，老頂為灰白色粗砂巖、灰黑色粉砂巖、厚度7.0～9.6m；選擇6m錨索支護5707巷，保證錨索錨固在老頂穩定巖層中，可達到有效控制頂板。

②錨索排間距及抗拉拔力的確定：5707巷錨索根據我礦的支護經驗確定為一排，間距為3 000 mm，在施工過程中錨索預緊時的預拉力必須達到80 kN之間。為防止巷道頂板巖層發生大面積整體垮落，采用φ17.8 mm×6 000 mm的鋼絞線，將錨桿加固的“組合梁”整體懸吊于穩定巖層中。校核錨索排、間距，冒落方式按最嚴重的冒落高度大于錨桿長度的整體冒落考慮。此時，依靠錨索發揮懸吊作用，在忽略巖體粘結力和內摩擦力的條件下，取垂直方向力的平衡，可用下式計算錨索排、間距：

式中：L 為錨索間距，m；B 為巷道最大冒落寬度，按5707巷取3.5m；H 為巷道冒落高度，按最嚴重冒落高度取2.0 m；γ 為巖體容重，25.6kN/m3；L1為錨桿排、間距，1.0m；F1為錨桿錨固力，49kN；F2為錨索極限承載力，取345kN；θ為角錨桿與巷道頂板的夾角，75°；N 為錨索排數，取1。通過上述計算，得到5707錨索間距L＜4.08 m，5707巷選擇每3m一根錨索，符合此要求，所選錨索參數滿足設計要求。

③護幫錨桿參數的設計：為了保證5707巷掘進與服務期間的安全，決定在5707巷兩幫由頂板下1 000mm處各施工一排護幫錨桿，兩幫頂板下1200m范圍內掛金屬網。

2.3 安全措施

1）由施工單位每3m探一次層間距，若層間距小于6m，或遇頂板淋水加大、圍巖破碎等，應按工作面實際情況及時制定專項措施。

2）掘進及回采期間，如巷道礦壓顯現，頂板下沉200 mm、兩幫位移200 mm的情況下，可在礦壓顯現段補架U29特殊五節拱棚，提高支護強度，仍能保證該巷正常使用。

3 效益分析

1）簡化支護：按要求該巷改變支護后剩余長度866 m，按U29棚支護費用每米3200元計算，可節約支護費用約277萬元。

2）加快推進速度：由于縮小巷道斷面，且簡化支護工藝，掘進速度由原來4m/d，提高到6 m/d，預計可提前57 d竣工。

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