高礦壓順槽無梁帶錨網支護研究

白新榮，田庚有

(陜西澄城董東煤業有限責任公司，陜西 渭南 715200)

0 引言

董東煤業公司井下因受東西兩個大斷層(落差均超過100 m)的影響，兩順槽在回采過程底鼓、幫鼓嚴重，既給安全帶來很大威脅，又增加了生產成本。尤其是近年來開采過程中后巷需配備專業隊伍起底擴幫，影響生產效率，嚴重影響礦井經濟效率。文章以50122工作面為例，對無梁帶錨網支護進行了探索。

1 順槽支護優化前狀況

1.1 煤層地質情況

以50122工作面為例，5#煤為亮煤及暗煤組成，含黃鐵礦結核，煤層厚2.3～4.6 m，平均厚3.3 m，屬較穩定煤層，一般含夾矸一至二層，下矸較穩定，厚0.2～0.6 m，夾矸多為炭質泥巖及砂質泥巖，在5#煤層與K4之間，局部有一層4#煤，厚0.1～0.3 m。

5#煤直接頂為褐黑色粉砂巖、砂質泥巖，含較多植物根部化石及炭化植物碎片，厚0.3～1.2 m。老頂為深灰色粉砂巖，頂部褐灰色含較多植物根部化石，中下部夾細粒砂巖薄層，其緩波狀層理，含黃鐵礦結核，含植物碎片化石，厚6.6 m。直接頂和老頂間含一層4#煤，厚0.1～0.4 m。5#煤底板為灰色石英砂巖，細粒，粉砂質，泥質成分較多，厚0.3～0.6 m。

1.2 順槽原來支護參數

巷道斷面及支護：50122進風巷沿5#煤層頂板掘進，矩形斷面(4 000 mm×2 800 mm)，支護方式采用錨網索鋼帶聯合支護。

錨桿：頂、幫錨桿均采用φ20 mm×2 200 mm左旋無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，矩形布置，頂部間、排距760 mm×800 mm，幫部間、排距800 mm×800 mm，如圖1所示。

圖1 50122進風巷頂部支護平面圖

鋼帶：采用4 000 mm W型鋼帶(型號WX160/4)，孔距760 mm。

錨桿托盤：頂部采用與鋼帶型號匹配的150 mm×150 mm×8 mm W型鋼帶托盤，幫部采用鋼帶托盤外加鋼托盤，鋼帶托盤為300 mm×280 mm W型鋼帶(型號WX280/4)，鋼托盤采用Q235鋼加工而成，規格150 mm×150 mm×8 mm。

錨索：選用φ17.8 mm×7 300 mm鋼絞線，三·三布置，間排距為1 000 mm×1 600 mm。

錨索托盤：采用Q235鋼板，規格300 mm×300 mm×12 mm。

錨固劑型號：MSZ23/35，每根錨桿使用2節，每根錨索使用5節。

網片：頂部及非采煤側幫部采用GB10#鐵絲編制的金屬網，網片規格：900 mm×2 600 mm，網格：50 mm×50 mm，網目必須用12#雙股鐵絲逢孔必聯；采煤側幫部采用雙抗網，規格為900 mm×50 000 mm(型號JDPP30-30MS)，聯網采用編織帶逢孔交叉連接并每隔500 mm打一個結。巷道全斷面掛網。

1.3 50122工作面兩順槽回采變形情況

50122工作面推采期間，兩順槽收縮變形嚴重，兩幫部整體變形突出，進風巷變形范圍為500 mm×1 000 mm，回風巷變形范圍為1 200～2 960 mm，巷道底鼓量大，底鼓變化范圍1 050 mm×1 700 mm。

兩順槽收斂量大，影響裝備、人員安全通過。針對此種情況，公司專門配備一個掘進隊進行反復擴幫、起底，嚴重影響工作面正常安全生產，而且維護返修造成很大人力物力的浪費。

2 巷道支護機理分析

2.1 支護構件分析

錨桿作為一種小范圍加固圍巖的構件，也是錨網支護體系的主力構件，在支護設計中錨桿必須具有足夠強度，也應能平衡圍巖一定的變形能。故錨桿的參數應該在具有足夠的抗拉能力情況下具有充足的延伸率。

雖然在董東煤礦目前的高礦壓情況下錨桿看起來很少有破斷，通過錨桿圍巖耦合理論分析，不同彈性模量的錨桿對圍巖的約束力是不同的。因此，設計合適的錨桿參數對于圍巖的支護是很重要的。

錨索的設置，其作用是在極端情況下能夠預防頂板冒落。從自穩隱形拱理論分析得出，錨索的作用就是防止極限自穩隱形拱內巖體的失穩。因此，錨索的設計必須采取高強度的原則。

鋼帶是錨網梁支護系統中的一個重要組成部分，長期以來，人們對鋼帶的作用都是—擴大承托作用面積、聯系多個錨固點形成群錨效應、對巷道表面補強抗拉能力。但現用W鋼帶在巷道大變形情況下彎曲脫離圍巖體(圖2、3)，不能夠適應圍巖力學特征。其強度和剛度都與網片相近，因此不能夠真正起到托梁的作用。

圖2 頂板鋼帶變形情況

圖3 幫部鋼帶變形情況

針對上述分析，對錨網結構參數進行優化分析必然能產生積極效果。

2.2 自穩隱形拱理論設計及計算結果

據自穩隱形拱理論，巷道頂板可以分成3個區域：自然冒落拱、自穩隱形拱、極限自穩隱形拱。支護是一定要保證錨索穿過極限自穩隱形拱達到穩定巖層，才能保證巷道穩定。

自穩隱形拱是巷道頂部應力單元中水平方向的拉應力為零的單元的聯線所形成的曲面，這一曲面在巷道截面上所示的曲線方程為

(1)

式中：W0—巷道頂部寬度，m；p0—巷道頂部垂直地壓，MPa；σ2—頂板巖體的抗拉強度，MPa。

根據工作面數據，帶入式(1)計算結果見表1。

表1 計算結果

3 順槽支護優化

3.1 支護結構

支護優化：支護系統應該以單錨固點為主，鋼帶托梁作用很小，因此，本設計優化采用以單托盤結構為主的錨桿，向無梁帶方向轉變。

50130進回風巷：沿5#煤層頂板掘進，矩形斷面(4 500 mm×3 300 mm)，支護方式采用錨網索支護。

3.2 順槽支護參數的確定

錨桿：頂部錨桿采用φ20 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×800 mm；幫部錨桿采用φ20 mm×3 000 mm右旋螺紋鋼錨桿，間排距為600 mm×600 mm，如圖4所示。

圖4 50130進回風巷支護斷面

錨桿托盤：頂部錨桿托盤采用Q235鋼托盤，規格為150 mm×150 mm×8 mm。幫部采用W托盤外加鋼托盤，W托盤300 mm×280 mm(型號WX280/4)，鋼托盤采用Q235鋼加工而成，規格150 mm×150 mm×8 mm。

錨索：頂部錨索為三·三布置，錨索直接打在鋼帶上，錨索采用φ18.9 mm×7 300 mm鋼絞線，錨索間排距為1 200 mm×1 600 mm。錨索鋼帶為T140型鋼帶，如圖5所示。

圖5 50130進回風巷頂部支護平面圖

錨固劑型號：錨固劑采用MSZ23/60型樹脂藥卷錨桿，每根錨桿使用2節，每根錨索使用3節。

網片：頂部網片采用GB10#鐵絲編制的可伸縮性金屬網，網片規格900 mm×2 600 mm，網格50 mm×50 mm，封孔必聯。幫部網片采用雙抗網，網片規格為900 mm×50 000 mm。

4 工業性試驗

對50130回風巷道支護方案進行現場試驗，并對巷道表面位移進行了礦壓觀測，巷道表面位移量監測結果如圖6所示。

圖6 礦壓監測結果

由6可知，對50130巷道支護方案優化后，頂板沉降量為41 mm左右，兩幫移近量為260 mm左右，底鼓量為186 mm左右。與原支護方案對比分析，收斂量分別約為原支護方案的10%、16%、20%。由此說明錨桿支護與錨索桁架相結合的方式，對巷道頂板不同層位的位移起到了很好的控制作用。幫部錨桿+大托盤的支護形式，對幫部圍巖起到了很好地加固作用，防止了片幫，并且阻止了幫部移近量的進一步增大，而且幫部錨桿的支護減小了極限自穩隱形拱的范圍。優化后的支護方案起到了很好的支護效果，為50130回風巷的安全高效回采提供了重要保障。

5 結語

通過對50130兩順槽的支護優化，頂板沉降量為41 mm左右，兩幫移近量為260 mm左右，底鼓量為186 mm左右，巷道收斂量明顯減小，滿足工作面回采正常生產需要。說明采用單托盤錨固方式與桁架錨索結合的支護方法能夠有效控制高礦壓圍巖。