錢家營煤礦采空區下巷道錨桿支護優化設計

摘要：錢家營煤礦1684W工作面回風順槽位于采空區下方，巷道壓力較小，現有支護密度較大，支護強度不高。通過現場勘察以及對相應地質礦壓資料的分析，提出優化設計方案，使用新方案支護后，錨桿錨索施加較高的預緊力，有效控制圍巖的變形，巷道支護強度明顯增高；錨桿間排距變大，在提高掘進速度的同時，使支護材料節省15%以上。

關鍵詞：錢家營煤礦巷道錨桿支護

1 巷道基本情況

錢家營煤礦1684W工作面回風順槽傾斜上方為1683W工作面已回采完畢，傾斜下方為2882W設計工作面，上覆2871W、1673W工作面已回采完畢，下伏煤層無工程。1684W工作面回風順槽完全位于采空區下方，服務期間僅受巷道掘進及本工作面回采動壓影響，巷道條件相對簡單。1684W工作面回風順槽設計走向長度為1147m，設計凈寬度4.2m，高度2.7m，其所屬煤層為穩定的中厚煤層，走向變化不大，傾角有一定的變化，為半亮型煤，階梯狀斷口，硬度大，局部有1-2層泥巖夾矸。

煤層頂底板巖石性質和特征如下：①老頂：灰色細砂巖，厚度3.6-5.77米，成份以石英為主，泥硅質膠結，層面含碳質及植物隨屑碳化體。②直接頂：深灰色粉砂巖，厚度0-4.5m，平均2.0m，質膠結，致密，呈水平灰色小條帶狀，上部有0-0.5m不穩定煤線。③直接底：深灰色粉砂巖，厚度1.15-4.6m，平均2.3米左右，致密，塊狀，含菱鐵質結核，近煤處含植物根化石。④老底：深灰色粉砂巖，厚度1.0-3.17m，平均2.1m，致密，塊狀，較細膩，貝殼狀斷口，巖石較破碎。⑤偽頂：灰褐色粉砂-粘土巖，厚度0-0.4m，平均0.2m，巖性細膩，松散易冒落。

2 支護參數確定的原則

①一次支護原則。錨桿支護應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。②高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨桿支護中的關鍵因素，是區別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發揮錨桿支護的作用。③“三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。④臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護系統存在臨界支護強度與剛度，如果支護強度與剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩定狀態，圍巖變形與破壞得不到有效控制。⑤相互匹配原則。錨桿各構件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數與力學性能應相互匹配，錨桿與錨索的參數與力學性能應相互匹配，以最大限度地發揮錨桿支護的整體支護作用。⑥可操作性原則。提供的錨桿支護設計應具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進速度的提高。⑦在保證巷道支護效果和安全程度，技術上可行、施工上可操作的條件下，做到經濟合理，有利于降低巷道支護綜合成本。

3 巷道原有支護方案及支護效果

1684W工作面回風順槽掘進初期，采用錨桿錨索聯合支護的方式，具體支護參數為：頂部5根錨桿錨桿排距為900mm，間距900mm，頂部2根錨索排距1800mm，間距1600mm；兩幫各3根錨桿，間距1000mm，排距900mm；錨桿采用22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，材質為HRB335，長度2.4m，頂部錨索直徑φ17.8mm，長度5300mm。在此種支護方式之下，巷道中錨桿受力大小如圖1。

由圖1可以看出，在原有支護方案下，巷道掘進在平均10天以后，錨桿受力才趨于穩定，并且錨桿受力自安裝以后增加明顯，錨桿初始受力較小，說明施工過程中對于錨桿施加的預緊力不足，不能有效控制圍巖變形。另外，在錨桿受力穩定后，其受力大小基本在6t以下，說明巷道本身壓力較小，此時使用22#左旋無縱筋螺紋鋼筋作為錨桿材料，不能充分使用錨桿本身力學特性，顯然是對支護材料的浪費。

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圖1原有支護方案下錨桿受力曲線

4 優化后支護方案及支護效果

針對原有支護存在的問題，根據現場實地勘察，并通過對1684W工作面回風順槽地質資料以及礦壓數據的分析，提出了以下支護方案：頂部使用4根錨桿，排距1000mm，間距1200mm，頂錨索采用“大三花”布置，排距2000mm；幫部錨桿排距1000mm，間距1000mm；要求錨桿預緊力不得低于300Nm，錨索初次張拉不得低于180 kN，損失后不低于150kN；錨桿采用20#左旋無縱筋螺紋鋼筋，材質為HRB335，長度2.0m，頂部錨索直徑φ17.8mm，長度5300mm，具體布置圖，如圖2。

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圖2優化后巷道支護參數圖

圖3反映了1684W工作面回風順槽在掘進過程中錨桿受力情況。受力曲線反映的錨桿受力情況雖大小不一，但是錨桿初次施加預緊力后，受力很快保持穩定（平均在5天以內），說明錨桿設計的預緊力值比較合理，可以有效的控制圍巖變形，充分發揮了主動支護的作用，增加了巷道支護的強度；頂部錨桿受力較大，錨桿受力一般在60kN左右，最大不超過75kN，充分利用了Φ20錨桿的抗拉性能，又可以保證巷道安全，真正做到了支護設計的優化；錨桿受力與優化前相比，除頂錨桿受力有一定增加，其他無特別明顯變化。

1684W工作面回風順槽設計凈寬4.2m，高2.7m，從圖4可以看出，巷道掘進完成后變形較小，掘進影響穩定后巷道寬度均在4.2m以上，巷道高度控制在2.5m以上能夠滿足生產需求，說明巷道支護強度設計可以滿足巷道掘進要求。

由于錨桿錨索施加了較高預緊力，優化后的支護設計能更有效控制圍巖變形，增加了支護強度；另外優化后的設計不僅增加了錨桿的排距，而且將錨桿長度由2.4m減小為2.0m，頂部錨桿由5根變為4根，使支護材料節省15%以上，為巷道支護節省了大量成本的同時，由于排距的增大，有效提高了巷道掘進速度。

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圖3優化后支護方案下錨桿受力曲線

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圖4優化后支護方案下巷道變形情況

5 主要結論

①1684W工作面回風順槽位于采空區下，采空區下巷道位于應力降低區，采空區下巷道其本身所受礦山壓力較小，所需支護強度也相對較小。②預應力在錨桿支護中起到關鍵作用，高預應力是保證巷道支護效果，有效控制巷道圍巖變形的重要手段。通過給錨桿錨索施加較高的預應力，可有效的控制巷道變形，保證支護效果。③巷道支護密度大，并不代表巷道支護強度高，優秀的支護設計是充分利用各種支護材料的性能，通過合理的核心參數選擇，保證巷道安全，提高掘進速度并且節省支護材料。

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作者簡介：馬海峰（1985-），男，河北唐山人，本科，采礦工程專業，2009年畢業于中國礦業大學，現任開灤（集團）錢家營礦業分公司綜采二隊技術副隊長，從事煤炭生產技術及礦井管理工作。