錨網索聯合支護技術在煤礦回采巷道中的應用

翟 龍

（同煤集團同忻煤礦有限公司，山西 大同037003）

根據調查顯示，我國煤礦的開采深度以每年平均20m的速度增加。隨著開采深度的不斷加大，圍巖應力也急劇增大，這就為巷道掘進和支護工作帶來了很多麻煩。目前，很多煤礦每掘進1m巷道的成本在1萬元左右，如果支護效果不好需后期維修則成本還會增加。在煤炭行業日益低迷的今天，保證巷道支護質量，降低返修率已成為煤礦減少開支、保證效益的重要途徑。

1 錨網索聯合支護簡介

錨網索聯合支護包括錨桿、錨索、錨網及噴漿等支護技術，其中錨桿和錨索承擔主要作用。在此對它們的支護機理和特點進行簡要介紹。

圖1 錨桿支護示意

1）錨桿支護的典型優勢為能夠快速、主動地對松軟巖層進行支護（見圖1），利用懸吊理論增強了圍巖的穩定性。錨桿的錨固端固定于穩定巖層中，充分利用巖層自身的承載力。錨桿支護雖然沒有提高圍巖極限強度，但大大提高了圍巖破壞之后的殘余強度，而且使集中應力向深部轉移〔1〕。

2）錨索為柔軟索體，長度較大（一般為5～8m），且承載力較大，可達150kN以上。其主要起著懸吊和組合加固作用，該作用使巷道上部巖層的應力向煤幫及圍巖深部轉移，降低了巷道周邊的應力分布。預緊力是錨索支護的一個重要參數，施加得當則組合作用明顯，施加不夠則只能發揮錨索的懸吊作用〔2〕。

隨著目前巷道掘進和支護工作中機械化水平的提高，目前錨網索聯合支護基本達到了全程機械化水平，所以施工速度快，質量較高，已被廣泛應用于煤礦的巷道支護工作中。

2 工程概況

同忻煤礦隸屬于山西省大同煤礦集團有限公司，位于大同市西南方向20km處。該礦于2009年投產，年生產能力超過10Mt，是一座大型現代化礦井。同忻煤礦81012工作面煤層開采厚度為5.6m，采用放頂煤開采工藝。該工作面運輸和回風順槽沿煤層頂板布置，設計巷道斷面形式為矩形，凈寬為5300mm，凈高為3600mm。本項目需要對這兩條回采巷道的支護形式和參數進行最優設計。

3 錨網索聯合支護在回采巷道中的應用

同忻煤礦81012工作面的直接頂為1.6m厚的泥質灰巖，巖性較軟，且在巷道掘進時出現了不同程度的破碎情況。煤層呈近水平賦存，頂板壓力不大。綜合考慮地質條件，再結合巷道掘進應充分滿足煤礦工作面正常接替的需要和各種支護形式的優缺點，最終確定該工作面回采巷道采用錨網索聯合支護形式。

3.1 支護參數的確定

（1）錨桿桿體參數的確定

本項目巷道錨桿桿體采用直徑為22mm的左旋無縱筋螺紋鋼制作；拱形高強度正方形托盤，具體參數為150 mm×150mm×10mm（見圖2）。錨固方式為樹脂端部錨固，錨固長度按照一般設計為30mm，所以每根錨桿需兩個樹脂藥卷。錨桿長度是桿體的最重要參數，長度太小，則不能發揮錨桿的支護作用；桿體太長，會造成支護材料的浪費，成本會增加，且桿體抗剪切能力會減弱。其中頂錨桿的計算公式〔3〕。

式中：l1為錨固段的長度，取值30mm；l2為直接頂厚度，取值1600mm；l3為托盤、螺母及外露長度，取值40mm；k為安全系數，在此取值1.5。

經計算得出該項目巷道頂板支護所需錨桿長度為2500mm。為施工方便，且結合其它工程經驗，巷道兩幫錨桿長度一般小于頂板錨桿長度，在此確定頂板和兩幫都采用2500mm長度的錨桿。

（2）錨桿布置參數的確定

錨桿間排距是保證錨桿支護效果的重要參數，也是影響支護成本的主要指標。由于頂板和兩幫需要的支護力不同，這就造成兩個位置的錨桿間排距也會不同。在此分別利用公式（2）和（3）估算頂板錨桿和兩幫錨桿的間排距〔4〕。

式中：Q為錨桿的錨固力，取值50kN；H為冒落頂高度；r為直接頂巖石容重；K為安全系數；b為錨桿排距，取值1000mm；δ為煤幫需要的最大支護力。

經過計算得出同忻礦該工作面兩巷頂板錨桿間排距為800mm；兩幫錨桿間距為1000mm。此外為保證頂板兩個角位置的穩定，將靠近兩幫的兩排頂板錨桿與水平線呈70°分布。

圖2 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿

（3）錨索參數的確定

錨索索體的選擇是單根鋼絞線，直徑為18mm，只布置在頂板中。錨索的長度根據經驗選擇8000mm，經過實踐證明該長度完全滿足實際需要。金屬托盤規格為300 mm×300mm×20mm。錨索間排距的確定是發揮錨索作用的重要參數，一般按照等間距布置。在此按照公式（4）進行理論計算〔5〕。

式中：r為頂板巖石容重；h為載荷體高度，即直接頂高度；b為巷道寬度；α為煤層傾角，在此取0°；Q為一根錨索的預緊力，取值100kN。

經計算得出同忻礦該工作面兩巷錨索間排距為2700 mm，即頂板上每排布置三根錨索，靠近兩幫的錨索與水平角呈75°布置，錨索錨固端長度設置為45mm。

綜上所述，最終確定出同忻礦81012工作面回采巷道支護參數，布置見圖3（虛線代表錨索）。另外，為防止碎矸和裂隙等造成的安全隱患，保證支護質量，又對巷道進行掛網處理，在巖石破碎帶加入噴漿作業，有效保證了巷道的支護質量〔6〕。

圖3 81012工作面回采巷道支護布置示意

3.2 支護參數的評價

在支護設計完成后，應用Flac3D數值模擬技術對該支護方案進行評價。最終的模擬見圖4、圖5。在圖4中可以看出：巷道的垂直應力主要分布于兩幫位置，水平應力主要分布在巷道頂板中；從圖5中看出垂直位移最大的位置在頂板，最大水平位移在巷道靠近采空區一側的煤幫中。在該方案的支護下，巷道圍巖位移量很小。在施工完成28d后對巷道圍巖進行測量，兩幫移近量為30～50 mm；頂底板移近量約為100mm，完全滿足實際使用。

4 結語

圖4 巷道垂直應力（左）和水平應力分布

圖5 巷道垂直位移（左）和水平位移分布

錨網索聯合支護技術具有施工速度快、機械化程度高、支護效果好等突出優點，已經成為煤礦各類巷道的主要支護方式。同忻煤礦81012工作面回采巷道通過應用該技術后，巷道掘進速度完全滿足采掘比的要求，支護質量較好，幾乎不需要后期維護，大大節省了后續工作量，取得了較好的經濟效益。

〔1〕李 偉，白光超.錨網索聯合支護在大斷面托頂煤切眼中的應用〔J〕.煤炭科學技術，2010，02（25）：35－36.

〔2〕秦廣鵬，蔣金泉.大變形軟巖頂底板煤巷錨網索聯合支護研究〔J〕.采礦與安全工程學報，2012，03（15）：66－68.

〔3〕李書民，孫小巖.深部回采巷道錨網索聯合支護技術實踐〔J〕.煤炭科學技術，2012，01（12）：25－26.

〔4〕侯運炳，高振亮.屯蘭礦軟巖巷道錨網索聯合支護技術研究〔J〕.中國礦業，2014，11（15）：21－22.

〔5〕唐建新，鄧月華.錨網索聯合支護沿空留巷頂板離層分析〔J〕.煤炭學報，2010，11（15）：46－47.

〔6〕陳 楊.焦家寨礦全煤巷道錨網索聯合支護技術研究〔D〕.北京：煤炭科學研究總院，2014.