錨網索支護技術在復雜煤層巷道中的研究應用

饒 高

(湖南省煤業集團白山坪礦業有限公司，湖南 耒陽 421800)

0 引言

錨網索支護技術，已在我國北方大型礦井得到廣泛應用，理論研究較成熟，實際使用效果也很良好，很好地解決了回采工作面煤巷大斷面支護強、施工機械運用、兩巷通行空間等問題。但在南方地質條件較復雜的小型煤礦，推廣難度大，且很少采用。白山坪礦井煤層賦存條件較復雜，煤層連續性差，傾角變化較大，煤層賦存穩定性很差，給掘進和支護都帶來了極大的困難。長期以來白山坪礦井的回采煤巷支護，絕大部分都是采用棚式支護，但是巷道受壓后變形大、維修量也大，且巷道變形后修復困難，采掘運輸等作業環境差，很難實現礦井安全和高效生產，采掘接替緊張，生產潛力難以發揮。特別隨礦井采深加大，礦壓更大，原有棚式支護更難適應高應力影響，巷道維護維修成本更大。為了便于使用機械設備施工，降低勞動強度，減少巷道維修，降低總成本。白山坪煤礦在3162風巷試驗煤巷錨網索支護技術，現已施工260 m巷道，獲得了良好的試驗效果，很值得逐步大面積推廣應用。

1 工程背景

1.1 地質條件

3162風巷設計總長約為465 m，巷道橫面形狀根據復雜煤層具體賦存情況而定，堅持不破頂板施工的原則設計，巷道橫截面尺寸按確保安裝機采運輸設備和人員順利通行等要求設計，頂部依頂煤層頂板坡度而定，兩幫為直立，底板為水平。設計巷道橫截面凈尺寸3 800×2 600；毛尺寸4 000×2 750(橫截面高為巷道中軸線處尺寸)，巷道距地表平均垂距520 m。煤層坡度為12°～47°，平均約31°，煤層厚度為0 m～7.09 m，平均厚度1.69 m，煤層容重為1.46 t/m3。偽頂：炭質泥巖，厚0.3 m，黑色，含炭質，薄層狀，微波層理；直接頂:粉砂巖，厚度4.71 m，灰黑色，中～厚層狀，微波層理，見菱鐵質，有時相變為泥巖；老頂：石英砂巖，厚度3.6 m，深灰色，中～厚層狀，致密，堅硬，具斜線層理，含水性極弱；直接底：粉砂巖，厚度3.8 m，灰黑色，薄層狀，微波層理，致密堅硬，含水性極弱；老底：石英砂巖，厚度3.25 m，深灰色，厚層狀，水平及緩波層理，含云母碎片。

1.2 煤巷錨網支護的施工技術難點

白山坪礦井位于郴耒煤田白沙向斜西翼中段，煤層地質情況變化復雜，煤層的穩定性較差，坡度經常發生變化，頂底板起伏變化且凹凸不平，煤層厚度變化大，經常變薄至不可采甚至出現無煤區，有時又變化到超過回采高度的厚度，難以選擇較合適的掘進機械，巷道支護難度也很大。主要難度為以下兩點：

1)當回采巷道中的煤層變為半煤及全巖時，掘進機難以發揮作用，對類似地段我們一般采用爆破掘進法，這樣易于掘進破碎巷道垱頭較堅硬的圍巖。所以對適應地質變化條件的掘進機還有待進一步開發。

2)煤層頂板凹凸不平給錨網索支護及安裝帶來困難，使支護強度容易下降；當煤層坡度變化到急傾斜，且煤層厚度大于2 m，煤體松軟破碎時，極易發生頂板抽冒現象，也容易發生連錨桿一起拔出的片幫冒頂事故，所以煤巷錨網索施工技術及安全管理難度較大。

2 煤巷錨網索支護方案設計

煤巷錨網支護具有一定難度，而煤巷大斷面支護更難，承受礦壓更大，根據相關工程支護經驗資料，煤巷錨網索聯合支護能將松軟破碎的煤體最有效地加固成一個整體，能充分發揮煤巖體的自承壓力作用，提高抗壓強度，如支護妥適，其抗壓強度、抗壓性能遠大于架棚式支護。所以根據煤巷錨桿、索支護原理分析，加大錨網索支護本身的強度并采用聯合支護設計。白山坪礦3162風巷錨網支護材料分別為錨桿、錨索、樹脂錨固藥卷、菱形金屬網、橫、縱兩種鋼筋加固條、托盤、錨索托板、螺母等構件。由以上構件將較大范圍的圍巖最有效地加固成一個聯合承力整體，各承力構件都必須滿足最低強度要求，安裝緊密受力，相互牽固成一個封閉完善的整體，使較大范圍的圍巖形成主動承力結構，大大提高巷道支護強度，充分發揮錨網索等材料的支護效果。

2.1 支護方式選擇

1)當煤層坡度小于45°、煤厚小于2.0 m且不隨掘隨冒時優先采用錨網支護；2)當煤層坡度大于45°、煤厚小于2.0 m，煤體完整性較好，但會出現中等程度的抽冒頂情況時，則采用短掘短支的作業形式，先采用單體絞接頂梁挑鋼絲網超前掩護臨時支護，再采用單體、厚邊木抬棚壓網關頂作二次臨時支護，最后采用錨桿、錨索、鋼筋加固條、鋼絲繩及相應鋼托板依次緊壓鋼筋加固條、鋼絲繩、鋼絲網等聯合支護形式作永久支護；3)當煤層坡度大于45°、煤厚大于2.0 m，且煤體容易出現隨掘隨抽冒夸落的現象時，則采架U形棚支護，再采用錨索作補強加強支護，架棚采用11號工作鋼前探梁作為臨時支護。

2.2 錨網索支護施工工藝設計及支護材料配置

1)頂板錨桿使用φ18×2 200 mm左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，間排距為7 500 mm×800 mm，采用矩形布置。每個錨桿孔用2支Z2360樹脂錨固劑或一支K2340和兩支Z2340樹脂錨固劑，錨固長度約為1 200 mm。

2)兩幫錨桿采用φ18×1 800 mm左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，間排距設為800 mm×800 mm。每個錨桿孔用一支K2340和一支Z2340樹脂錨固劑，錨固長度約為800 mm。根據對外調研學習取得的理論依據，結合對礦井多年的井巷施工現場經驗分析得知，幫角錨桿能較好地控制巷道底臌變形，通過3261工作面煤巷錨網支護實際施工也得到了驗證，幫角錨桿向下傾斜角一般為10°～20°。

3)巷道表面及時采用菱形金屬網貼壓關嚴、關實，網拉緊拉直，煤巖表面凹處可采用坑木、茅材等輔助充實，提高錨網支護系統對圍巖加固成整體的能力，以防止因圍巖表面的不斷漏空擴大，而降低錨網索支護體的承壓效果。網間重疊敷設長度設計為120 mm～220 mm，不得少于100 mm。

4)錨索作為加強支護用，型號為φ17.8×6 300 mm。錨索一般來說，只沿巷道頂板按巷道縱軸布置一排，錨索間距設置為2 400 mm。礦壓較顯現區沿頂板布置兩排，兩幫各布置一排。頂板排距為900 m，兩幫錨索一般沿兩幫中線偏略下幫布置。每個錨索孔用一支K2335和3支Z2350樹脂錨固劑，錨索伸入孔內長度為6 000 mm，外露長度150 mm～300 mm。

5)頂、幫錨桿孔必須分別用頂、幫錨桿鉆機鉆眼，不宜采用風機鉆眼，鉆頭直徑為27。幫部如果采用風鉆打眼，必須采用φ27小鉆頭，遇巖石較堅硬的兩幫還可用直徑適合的水泥錨固劑。錨桿、鉆孔直徑和樹脂錨固劑直徑應合理匹配，鉆孔直徑與錨桿直徑之差為6 mm～10 mm，與樹脂錨固劑直徑之差為4 mm～8 mm。

6)一般來說，煤層上幫易發生片幫變形和抽冒，常在煤層上幫再布置一排縱向錨桿，其錨桿設計布置于周圍基本錨桿的矩形中心，然后按縱向壓鋼梁進行加固支護。

7)錨桿托板采用厚度為10 mm鼓形托板，規格為φ120 mm，材質為A3鋼，配置帶球形墊座的擰固螺母，鼓形托板凹側對壁分別壓網、鋼筋加固條，凸側中心加工成球形窩，能使錨桿以任意角度安裝。安裝時視情況在球形墊座和螺母之間添加減摩片。

8)錨索托板為(200×150×15)mm的槽鋼。采用φ18～φ24的廢舊鋼絲繩兩根，且并排用繩卡固定，作為配合錨索的縱向鋼絲繩。橫向鋼帶原設計采用W形鋼帶，但實際為降低成本及加工方便，采用φ12的圓鐵按寬60 mm焊接而成，一般單根長度為2.0 m。補強加固用的縱向加固鋼條采用φ16圓鋼焊接而成，寬80 mm，一般單根長2.0 m。

9)由于工作面煤層坡度及煤厚屬不穩定變化型。根據3162工作面煤層賦存地質條件，由于坡度0°～52°，平均約31°，煤厚0 m～2.85 m，平均厚度1.81 m，所以巷道支護斷面按煤厚1.81 m，坡度31°類型設計，見圖1。

3 支護效果觀測

在巷道的頂板和兩幫分別布置觀測點，對圍巖變形情況進行觀測，以檢驗錨網索支護方案實施后的支護效果。并且對錨桿、錨索進行拉力檢測，驗證其承力狀況。應用煤巷錨網索支護后，檢驗觀測點表面位移隨掘進工作面的推進逐漸增大，工作面距觀測點60 m左右時，巷道表面位移量達到最大值，然后保持穩定。頂板最大下沉值為300 mm，最小值為120 mm，兩幫移近量最大值達到230 mm，最小值為120 mm，底臌約為80 mm，巷道控制變形達到理想效果，在此變形范圍內，只作很小的維修量，就完全能安全正常使用。對錨桿進行拔拉檢測，錨桿拔拉力95%以上在6 t以上，能滿足設計要求，但錨索測力設備暫沒購買，所以錨索測力未進行，錨索受力僅憑擰緊螺母的預緊力掌握。

4 經驗結論

1)煤巷錨網索支護充分發揮了圍巖自身的主動承載的作用，更有效地控制了圍巖的變形。經工程實踐表明，煤巷錨網支護體的強度要遠大于架棚支護強度。

2)3162工作面風巷錨網索巷道單位支護費用為2 038元/m，同樣規格的金屬架棚巷道支護費用為2 157元/m。而錨網索支護材料輕，運輸方便，操作勞動強度小，支護的巷道變形量小，維護、維修工程量小，煤巷錨網支護抗壓力大，并且能夠實現大斷面機械化作業，作業環境好，所以綜合而論煤巷錨網索支護經濟和社會效益明顯，很值得大面積推廣應用。

3)3162煤巷錨網索支護，由于部分施工及檢測設備未購置到位，所以只簡單地對巷道的變形進行了量測，支護檢測也只檢測了部分錨桿拔拉力，對原巷道的應力、錨索拔拉力、錨桿、錨索預緊力等都未進行檢測和試驗研究。廣大干部、職工對煤巷錨網索支護理論認識、思想觀念、操作技術水平、管理水平還有待大大改善。另因煤層地質構造復雜，對煤巷錨網索支護巷道，由于技術管理水平要求更高，所以大規模在地質條件復雜煤巷實際推行錨網索支護還需要有一個大力研究完善的過程。

4)適應南方復雜地質條件的煤巷掘進機需進一步向小型化、實用化方向改進。