陳家山煤礦綜放工作面全煤巷道錨網索支護技術

高銅+孟剛+陳永濤+賈圓

摘要：錨網索支護目前是煤礦井巷工程的一種主要支護形式，本文針對陳家山煤礦錨網索支護形式具體分析了全煤巷道支護機理，針對陳家山煤礦全煤巷道的特點，結合綜放工作面全煤巷道錨網索支護經驗，為陳家山煤礦4-2煤的支護提供了切實可行的支護方式。該支護方式可以降低支護成本，解決煤炭自然發火的隱患，進而減輕工人的勞動強度，具有顯著的經濟效益和社會效益。

Abstract： Bolt-mesh-anchor support is a kind of main support form for coal mine shaft engineering. In this paper， in view of the bolt-mesh-anchor support form of Chenjiashan Coal Mine， the supporting mechanism of coal roadway is analyzed in detail. In view of characteristics of coal roadway， combined with bolt-mesh-anchor support experience of fully mechanized caving face coal roadway， a practical support way for the Chenjiashan Coal Mine 4-2 coal is provided. The support method can reduce the cost of support， solve the hidden trouble of coal spontaneously， thereby reducing the labor intensity of workers， so it has significant economic and social benefits.

關鍵詞：全煤巷道；錨網索支護；預應力；移近量

Key words： coal roadway；bolt-mesh-anchor support；prestressing force；displacement

中圖分類號：TD355 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0111-04

0 引言

陳家山煤礦綜采放頂煤工作面運回順均沿煤層底板掘進，巷道頂板和兩幫皆為煤體，維護困難，采用架棚、金屬支架支護易產生嚴重的變形和破壞，需經常進行維護處理。由于有煤層自然發火危險，在回采工作面前方還需要替棚，工序復雜而又危險。錨網索支護目前做為一種主要支護形式，具有加固圍巖、提高圍巖強度及其承載力的作用，支護效果好，成本低，且有利于工作面兩端頭維護。

1 巷道的地質條件

陳家山煤礦427工作面運回順、切眼，巷道總長為4050m，427工作面開采煤層為侏羅紀4-2煤，煤層底板起伏較大，底板標高為1009-895m，煤層埋藏深度為420-540m，厚度為3.1-12.2m，平均7.83m（不含夾矸），變化較大，但規律明顯，煤層趨勢總體由薄變厚。埋藏最深處位于設計的427回順側，停采線向里52m處；最淺處位于427運順側，427切眼向外370m處。

該區段煤層結構復雜，含夾矸1-4層，夾矸巖性多為炭質泥巖、粉砂巖和泥巖，單層厚0.1-0.8m，總厚度平均0.5m。煤層節理和裂隙發育，性脆易碎，普氏硬度指數2.5-3，單向抗壓強度7.8-20.6mPa。

地表為山岳地形，溝深林密，對應位置為太白山向東北方向經春林河至崖頭，海拔高度1490-1316m，地形復雜，相對高差較大。地表出露地層以第四系（Q4）黃土及松散沉積物為主，次為白堊系（K1）砂礫巖和砂巖沉積。

427區段地質構造相對簡單，總體呈單斜構造，傾向南北，中里段以新民村向斜構造為主，軸向N15°E，兩翼傾角平緩，一般在5°以下。設計的運順煤巖層傾角為1°32′-5°40′，平均3°29′，回順0°42′-6°14′，平均3°18′，煤巖層傾角0°30′-6°，平均3°，兩順高差0-15m，回順比運順高。

4-2煤直接頂由粉細砂巖、4-1煤層組合而成的復合型Ⅰ類頂板，厚度1.35-5.12m，平均3.27m，穩定性差，強度較低，單向抗壓強度9-14.6MPa，普氏硬度系數f=2.5-5.0。老頂由中細粒砂巖、3#煤煤線組合而成，厚度9.75-31.68m，平均20.75m，普氏硬度系數f=6-8，單向抗壓強度24.9-51.2MPa，穩定性較好，屬Ⅱ級頂板。底板由上而下為炭質泥巖，黑色、塊狀、含炭質，厚度0.1-2.88m，平均1.1m；其次根土巖：灰色，塊狀，含砂質，局部含鋁質，植物化石及少量FeS2結核，質脆，遇水膨脹，厚1.86-5.5m，平均3.7m。最后為砂質泥巖：灰、灰綠、暗紫紅色，中厚層狀，具應力面和花斑狀，中夾粉砂巖薄層，泥質膠結，厚3.91-31.4m，平均13.94m。

2 全煤巷道錨網索支護井下工業性應用

2.1 支護方案

427兩巷設計斷面形狀均為直墻圓弧拱型（本文以427運順為例進行說明），運順斷面S掘=16.1m2，S凈=15.1m2；巷道毛寬5.0m，凈寬4.8m；毛高3.4m，凈高3.3m；墻高2.8m。巷道頂板錨桿從巷道拱頂正中按設計間排距尺寸向周圍兩邊均勻布置，采用Φ18×2250mm（編碼CKJS-C-M螺18-001）螺紋鋼錨桿支護，每排7根；幫部采用Φ16×2250mm（編碼CKJS-C-M螺16-003）圓鋼錨桿支護，每排8根；錨桿間排距為800×900mm，頂部錨桿每眼使用1節Z2335、1節Z2360樹脂錨固劑，錨固長950mm，幫部錨桿每眼使用2節Z3530樹脂錨固劑，錨固長度600mm；同時每根錨桿配備δ8×120×120mm鐵托板一塊，加厚防松螺母1個；網采用Φ2.6×1100×11000mm菱形鐵絲網支護；每排使用3根10×70×3000㎜鋼筋衍架托梁，并用扎絲雙排邁步式連接；頂部錨索采用Φ15.24×7300mm鋼絞線，間排距1600mm×2700mm，雙排矩形布置，同時配備M12×600mm槽鋼一塊、δ8×150×80mm墊板和鎖具一個。

在巷道右側幫部打一組組合錨梁，每個錨梁配2根錨索，錨索規格為Φ15.24×4900mm，錨梁規格為12#×1500mm槽鋼，間距為2700mm。每根錨索使用2節Z2335、2節Z2360樹脂錨固劑，錨固長度1900mm。

永久支護距工作面的最大距離為1100mm，最小距離為200mm。

注：每掘進300m加一排絕緣隔離帶（塑料網）。

2.2 錨桿、錨索支護強度驗算

①按桿體承載力與錨固力等強度原則對錨桿直徑進行計算：

式中：d——錨桿直徑，cm；

Q——錨桿錨固力，70kN；

δt——抗拉強度，取380MPa。

代入得d=0.48cm

礦井實際使用18mm錨桿，符合支護要求。

②按單體錨桿懸吊作用計算錨桿長度：

L=L1+L2+L3

式中：L——錨桿總長度，m；

L1——錨桿外漏長度，取0.1m；

L2——有效長度（取免壓拱高b1），m；

L3——錨桿錨入堅固穩定巖層的深度（頂錨桿取0.7 m，幫錨桿0.3m）；

L2=b1=1/f×[B/2+Hcot（45°+φw/2）]

式中：B、H——巷道掘進跨度和高度，B=5.0m，H=3.4m；

f——頂板巖石普氏系數，取3；

φw——兩幫圍巖的內摩擦角，φw取63.43°（查表可知）

結合上述公式計算可得出：

L2=1.16m；

頂錨桿長度L頂=0.1+1.16+0.7

L頂=1.96m；

幫錨桿長度L幫=0.1+1.16+0.3

L幫=1.56m；

礦井實際使用錨桿長度2.25m，符合支護要求。

③按單體錨桿懸吊作用計算錨桿間距：

式中：a—錨桿間距，mm；Q—錨桿錨固力，70kN；

K—安全系數，一般取2；γ—巖體容重，26.7kN/m3；

L2 ——巷道頂板巖層破碎帶高度，取且1.16m。

代入數據計算得：a=1.16m

礦井實際為0.8×0.9m，符合支護要求。

④錨索支護驗算：

根據地質鉆孔柱狀圖參考分析得知，直接頂無堅硬巖層。為有效防止巷道頂板巖層發生大面積或整體垮落，選用？準15.24mm×7300mm的鋼絞線，每排施工2個錨索，將錨桿加固的“組合梁”整體懸吊于堅硬巖層中。冒落方式按最嚴重的冒落高度大于錨桿長度的整體冒落進行考慮，此時，靠巷道兩幫的角錨桿和錨索一起發揮懸吊作用，同時在忽略巖體粘結力和內摩擦力的條件下，利用垂直方向力的平衡，選用懸吊理論校核錨索排距：

L=nF2/[（BHγ-2F1sinθ）/L1]

式中：L——錨索排距，m；

F1——錨桿錨固力，70kN；

B——巷道冒落寬度，取5.0m；

H——巷道冒落高度，按最嚴重冒落高度取2.0m；

Γ——巖體容重，26.7kN/m3；

L1——錨桿排距，0.90m；

F2——錨索的極限承載力，取230kN；

θ——角錨桿與巷道頂板夾角，75°；

n——錨索每排個數，取2個。

代入數據計算得L=3.11m

礦井實際為2.7m，符合支護要求。

由以上驗算數據可知，陳家山煤礦所選用的錨桿規格、錨桿間排距、錨桿長度及錨索間排距符合支護要求，為增加支護的安全系數，又采用鐵絲網等一系列補強措施，加強了各巷道的支護強度。

2.3 巷道支護斷面圖

巷道支護斷面圖如圖1所示。

3 施工方法及技術要求

3.1 施工方法

巷道掘進施工均采用EBZ—160懸臂式掘進機截割施工，短掘短支一次成巷；配40T刮板輸送機與80膠帶輸送機出煤，頂部錨桿眼、錨索眼施工和錨固用MQT-85風動錨索機施工。工作面最大空頂距1100mm，最小空頂距200mm，堅持割一排，支護一排。

3.2 技術要求

①毛斷面巷道輪廓尺寸誤差為0～+200mm，錨桿間排距誤差為0～±100mm，安裝角度誤差不超過±5°。②錨桿、錨索眼深誤差不得超過±50mm。③錨固劑攪拌必須一次完成，嚴禁二次攪拌，一次攪拌時間不超過30秒。④網壓茬200mm，扣距150～200mm，用扎絲雙排邁步式連接牢固，無壓茬或小于50mm，連接距超過200mm或未連接屬不合格。網必須掛到底、掛齊。⑤頂板錨桿、錨索預緊力為100kN，老空側幫錨桿錨固力為60kN，每天抽查一次，達不到要求必須及時補打錨桿、錨索，從而保證支護強度。

4 全煤巷道錨網索支護機理分析

目前錨網索支護有多種理論：懸頂理論、組合梁理論、組合加固拱理論、擠壓連接作用等。這些理論與學說在一定時期對厚煤層錨網索支護技術的發展起到積極推動作用。經研究實踐證明：錨桿預應力達到60-70kN的范圍時，即可有效地減小巷道圍巖變形幅度，又有效控制了巷道頂板的下沉量及頂板離層。特別是該預應力達到臨界值后，支護系統就能控制住圍巖變形。基于高水平地應力的相關作用，提出了“剛性”梁頂板，充分利用水平應力來維護頂板的穩定性。所以，錨桿預應力的大小對頂板的穩定性起決定性作用，當預應力達到一定程度后，錨桿長度范圍內以及錨桿以外的頂板離層得以消除。

錨桿預應力的作用在于給頂板及時提供很高的工作阻力以形成“剛性”頂板，“剛性”頂板本身提供了一個壓力支撐機構，不存在橫向彎曲變形，只有縱向的微小膨脹和壓縮變形。建立“剛性”梁頂板可提高頂板整體的抗剪強度，使其破壞程度不向頂板縱深方向發展。在該條件下頂板的垂直壓力被轉移到兩側煤體縱深，巷道兩側煤體壓力減少，片幫現象得以緩和，與無預拉力錨桿支護相比較，高預應力主動錨桿支護的原則是先護頂，后護幫，在一定極限范圍內，頂板穩定性與巷道跨度關系不是很大，頂部錨桿的高預拉力作用是維護頂板的“剛性”，而兩幫錨桿的作用是維護兩幫煤體的整體性和完整性，這一支護理論彌補了“松動圈”理論的缺陷，使在相對簡單的地質條件下采用大間排距錨網索支護成為可能。同時頂部錨桿間通過鋼帶或托梁、菱形金屬網橫向連接成整體，相互作用，防止煤炮或掘進過程中破碎煤體的冒漏，組合錨網索支護系統使錨固區具有很好的剛度，其自身穩定性很強，尤其對內部圍巖起阻止和限制作用，頂板的破壞性也大大減少。基于“剛性”梁支護理論開發出的高性能預拉力錨網索支護系統已在淮北、淮南、彬長等地得到大范圍推廣應用，并取得成功。

5 礦壓觀測結果

陳家山煤礦安裝的是KJ24礦壓監測系統，實現了錨桿應力和頂板離層不間斷監測。

頂板離層監測每隔300m設置1處，巷道表面位移監測分別設3-5處，錨桿、錨索承載監測設1-2處，螺母擰緊力矩每班必須安排專人進行抽查，所需儀器規格及數量見表2。

為準確掌握巷道圍巖的變形規律，在掘進巷道開始時應及時進行巷道圍巖表面位移觀測。圍巖表面位移觀測主要包括頂底板的移近率（K），巷道兩幫移近率（S），觀測結果如下：

①巷道剛開始掘進期間頂板下沉量分別為35-48mm，兩幫移近量98-125mm，說明巷道圍巖位移以兩幫為主，頂部高預應力錨桿、錨索支護發揮了有效作用，形成“剛性”梁頂板，使頂部壓力向兩幫煤體縱深轉移，可見頂板支護是厚煤層巷道支護的一個重點。

②回采期間工作面超前影響距離40-50m左右，劇烈影響范圍在20m左右，頂板下沉量為280-400mm，最大變形速度為6-7.5mm/d；兩幫移近量為120-300mm，最大變形速度4.6-5.4mm/d。在此期間巷道變形量占巷道總變形量的70%以上，可見全煤錨網索支護巷道受回采巷道影響顯著。

通過礦壓監測數據分析得知，全煤錨網索支護機理對幫頂支護效果較好，其變形量特點是：掘進階段以水平（即兩幫）移近為主，而在回采階段受采動影響則以垂直（即頂底）移近為主。

6 結論

①錨網索支護體系是主動、及時支護、短掘短支等最大程度上實現了頂板在暴露后未出現離層和在未受到頂板最大應力影響之前，就完成了巷道支護，及時有效控制了頂板下沉量，增強了頂板抗剪強度，充分發揮了錨網索支護結構的主動性和優越性。

②通過驗證為陳家山煤礦侏羅紀4-2煤全煤巷道提出了一個切實可行的單一錨網索支護新技術。

③全煤錨網索巷道支護與架棚巷道相比較，大幅度控制了圍巖變形量及變形速度，頂底板與兩幫的移近量減少45%左右，實現了綜放工作面的快速安裝，又簡化了綜放工作面端頭支護工序，為實現工作面穩產高效創造了有利條件。

④全煤錨網索支護一方面提高了掘進速度，另一方面簡化了安裝程序，降低了支護成本，大大減輕了職工的勞動強度。

⑤綜放工作面巷道支護采用錨網索技術對提高單進和掘進工效，降低材料消耗，延長巷道服務時間，減少回采期間維護量和保證巷道使用的安全性將產生深遠意義。

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