錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在煤礦回采巷道中的應(yīng)用

翟 龍

（同煤集團(tuán)同忻煤礦有限公司，山西 大同037003）

根據(jù)調(diào)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(yīng)力也急劇增大，這就為巷道掘進(jìn)和支護(hù)工作帶來了很多麻煩。目前，很多煤礦每掘進(jìn)1m巷道的成本在1萬元左右，如果支護(hù)效果不好需后期維修則成本還會增加。在煤炭行業(yè)日益低迷的今天，保證巷道支護(hù)質(zhì)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(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)簡介

錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)包括錨桿、錨索、錨網(wǎng)及噴漿等支護(hù)技術(shù)，其中錨桿和錨索承擔(dān)主要作用。在此對它們的支護(hù)機(jī)理和特點進(jìn)行簡要介紹。

圖1 錨桿支護(hù)示意

1）錨桿支護(hù)的典型優(yōu)勢為能夠快速、主動地對松軟巖層進(jìn)行支護(hù)（見圖1），利用懸吊理論增強(qiáng)了圍巖的穩(wěn)定性。錨桿的錨固端固定于穩(wěn)定巖層中，充分利用巖層自身的承載力。錨桿支護(hù)雖然沒有提高圍巖極限強(qiáng)度，但大大提高了圍巖破壞之后的殘余強(qiáng)度，而且使集中應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)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(dá)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(yīng)力向煤幫及圍巖深部轉(zhuǎn)移，降低了巷道周邊的應(yīng)力分布。預(yù)緊力是錨索支護(hù)的一個重要參數(shù)，施加得當(dāng)則組合作用明顯，施加不夠則只能發(fā)揮錨索的懸吊作用〔2〕。

隨著目前巷道掘進(jìn)和支護(hù)工作中機(jī)械化水平的提高，目前錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)基本達(dá)到了全程機(jī)械化水平，所以施工速度快，質(zhì)量較高，已被廣泛應(yīng)用于煤礦的巷道支護(hù)工作中。

2 工程概況

同忻煤礦隸屬于山西省大同煤礦集團(tuán)有限公司，位于大同市西南方向20km處。該礦于2009年投產(chǎn)，年生產(chǎn)能力超過10Mt，是一座大型現(xiàn)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(fēng)順槽沿煤層頂板布置，設(shè)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(hù)形式和參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計。

3 錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)在回采巷道中的應(yīng)用

同忻煤礦81012工作面的直接頂為1.6m厚的泥質(zhì)灰?guī)r，巖性較軟，且在巷道掘進(jìn)時出現(xiàn)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(zhì)條件，再結(jié)合巷道掘進(jìn)應(yīng)充分滿足煤礦工作面正常接替的需要和各種支護(hù)形式的優(yōu)缺點，最終確定該工作面回采巷道采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)形式。

3.1 支護(hù)參數(shù)的確定

（1）錨桿桿體參數(shù)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(qiáng)度正方形托盤，具體參數(shù)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(shè)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(shù)，長度太小，則不能發(fā)揮錨桿的支護(hù)作用；桿體太長，會造成支護(hù)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(shù)，在此取值1.5。

經(jīng)計算得出該項目巷道頂板支護(hù)所需錨桿長度為2500mm。為施工方便，且結(jié)合其它工程經(jīng)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(shù)的確定

錨桿間排距是保證錨桿支護(hù)效果的重要參數(shù)，也是影響支護(hù)成本的主要指標(biāo)。由于頂板和兩幫需要的支護(hù)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(shù)；b為錨桿排距，取值1000mm；δ為煤幫需要的最大支護(hù)力。

經(jīng)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(wěn)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(shù)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(jù)經(jīng)驗選擇8000mm，經(jīng)過實踐證明該長度完全滿足實際需要。金屬托盤規(guī)格為300 mm×300mm×20mm。錨索間排距的確定是發(fā)揮錨索作用的重要參數(shù)，一般按照等間距布置。在此按照公式（4）進(jìn)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(yù)緊力，取值100kN。

經(jīng)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(shè)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(hù)參數(shù)，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(hù)質(zhì)量，又對巷道進(jìn)行掛網(wǎng)處理，在巖石破碎帶加入噴漿作業(yè)，有效保證了巷道的支護(hù)質(zhì)量〔6〕。

圖3 81012工作面回采巷道支護(hù)布置示意

3.2 支護(hù)參數(shù)的評價

在支護(hù)設(shè)計完成后，應(yīng)用Flac3D數(shù)值模擬技術(shù)對該支護(hù)方案進(jìn)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(yīng)力主要分布于兩幫位置，水平應(yīng)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(qū)一側(cè)的煤幫中。在該方案的支護(hù)下，巷道圍巖位移量很小。在施工完成28d后對巷道圍巖進(jìn)行測量，兩幫移近量為30～50 mm；頂?shù)装逡平考s為100mm，完全滿足實際使用。

4 結(jié)語

圖4 巷道垂直應(yīng)力（左）和水平應(yīng)力分布

圖5 巷道垂直位移（左）和水平位移分布

錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)具有施工速度快、機(jī)械化程度高、支護(hù)效果好等突出優(yōu)點，已經(jīng)成為煤礦各類巷道的主要支護(hù)方式。同忻煤礦81012工作面回采巷道通過應(yīng)用該技術(shù)后，巷道掘進(jìn)速度完全滿足采掘比的要求，支護(hù)質(zhì)量較好，幾乎不需要后期維護(hù)，大大節(jié)省了后續(xù)工作量，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

〔1〕李 偉，白光超.錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)在大斷面托頂煤切眼中的應(yīng)用〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，02（25）：35－36.

〔2〕秦廣鵬，蔣金泉.大變形軟巖頂?shù)装迕合镥^網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)研究〔J〕.采礦與安全工程學(xué)報，2012，03（15）：66－68.

〔3〕李書民，孫小巖.深部回采巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)實踐〔J〕.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，01（12）：25－26.

〔4〕侯運炳，高振亮.屯蘭礦軟巖巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究〔J〕.中國礦業(yè)，2014，11（15）：21－22.

〔5〕唐建新，鄧月華.錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)沿空留巷頂板離層分析〔J〕.煤炭學(xué)報，2010，11（15）：46－47.

〔6〕陳 楊.焦家寨礦全煤巷道錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)研究〔D〕.北京：煤炭科學(xué)研究總院，2014.