破碎圍巖回采巷道錨網索支護參數優化

馮耀東

（西山煤電集團設計院有限公司，山西 太原 030053）

隨著煤炭資源的不斷開采，礦井開采的深度和強度不斷增加，趨向于開采地質條件較為復雜的煤層，受到深部高地應力的影響，許多巷道圍巖發生軟化現象[1]，巷道圍巖破碎，變形較為嚴重，原有的支護方式難以保證巷道破碎圍巖的穩定[2]，因此針對破碎圍巖回采巷道支護技術進行優化研究具有重要的意義。

目前，許多研究學者對破碎圍巖巷道支護優化技術做了大量的研究。辛亞軍[3]分析了高應力泥巖沿頂板巷道的力學變形機制及破壞特征，采用了高強應力錨桿+錨索聯合支護方式；王勝[4]針對松軟破碎圍巖巷道，采用 “錨網帶+錨索梁+噴漿+中心點柱”耦合支護方式；唐志新[5]針對三軟煤層巷道支護失效機制和圍巖破壞模式對支護方式進行了優化。針對鎮城底礦8#煤層工作面巷道圍巖破碎、支護困難等問題，需針對其工作面具體條件對支護參數進行優化研究。

1 工程概況

鎮城底煤礦位于西山煤田的西北邊緣，地處古交市西北鎮城底鎮，生產能力為1.9 Mt/a，為低瓦斯礦井，3#、8#煤層為主要可采煤層。現開采8#煤層，平均埋深為162 m。根據地質報告，8#煤層頂板為石灰巖、炭質泥巖、中砂巖等，底板為炭質泥巖、中砂巖等，煤層厚度3.98～4.25 m，平均厚度4.1 m，煤層傾角平均7°，工作面采用綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。

回采工作面順槽掘進1～2個月后，有部分巷道出現嚴重的頂板離層現象，頂板破碎嚴重，必須進行二次維修，增加了人工、材料等成本的投入。為解決這一問題，現對出現問題較為嚴重的28106-1皮帶順槽進行了詳細、科學的地質力學分析，對28106-1皮帶順槽的支護方式進行優化研究。

2 巷道原支護方式分析

28106-1皮帶順槽斷面設計為寬4.5 m、高3 m，采用錨桿+錨索聯合支護方式，錨桿為Φ20 mm×2200 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨索為Φ17 mm×5500 mm錨索。

根據地質調查報告，取頂板巖層巖芯進行頂板巖性力學分析：

（1）頂板0～1.8 m為石灰巖，巖層呈灰色，巖石特別堅硬，強度高，但裂隙較發育，該段完整性差，巖層平均強度為113.71 MPa。

（2）頂板1.8～2.2 m為黑色炭質泥巖，質軟，含黃鐵礦，該段節理發育，較為松散，巖層平均強度為26.58 MPa。

（3） 頂板2.2～5.15 m為中砂巖，巖層呈灰白色，該段孔壁完整，巖層平均強度為47.69 MPa。

可以看出8#煤直接頂為石灰巖，巖層強度高，平均強度高達113 MPa，頂板雖然強度高穩定性好，但需防止軟弱夾層的存在對于頂板穩定性的影響。在進行頂板巖層力學分析研究時發現，石灰巖的抗拉強度大于砂質泥巖大于炭質泥巖大于煤層。巷道支護使用的Φ20 mm×2200 mm的左旋螺紋鋼錨桿主要錨固在石灰巖、炭質泥巖和砂質泥巖中，分析認為，在原巖應力重新分布的情況下，炭質泥巖、煤等較軟巖層將會出現破碎，如錨桿錨固到這些較軟巖層中后，錨桿失效幾率將會大大增加。

在現場研究中發現，由于8#煤層頂板巖層在南一下組采區上山方向會出現巖層變厚的現象，原本應在錨固在砂質泥巖中的錨桿錨固到了炭質泥巖中，由于炭質泥巖在應力重新分配過程中已經破碎，錨桿在這種情況下出現了失效，頂板出現離層。

3 支護參數優化設計

3.1 參數優化設計

28106-1工作面位于鎮城底礦南一下組采區，具有典型的8#煤頂板特征，故決定在28106-1皮帶順槽進行8#煤回采巷道支護參數優化的試點。28106-1皮帶順槽設計寬4.0 m，高3.0 m，采用錨網索聯合支護。8#煤回采巷道支護見圖1。具體支護參數如下：

頂錨桿采用Φ20 mm×2500 mm左旋螺紋鋼錨桿。將錨桿錨固段直接錨固在頂板較為穩定、堅硬的中砂巖中。錨桿間排距為1200 mm×1200 mm，頂錨桿托盤采用280 mm×280 mm鋼護板進行壓網。

幫錨桿采用Φ20 mm×2500 mm左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1000 mm×1200 mm。

錨索采用Φ17.8 mm×6500 mm鋼絞線，居中布置一根，排距2400 mm。

全斷面掛鐵絲網，兩幫采用梯子梁壓網。

圖1 8#煤回采巷道支護平、剖面

3.2 支護參數驗算

（1）錨桿長度Lbr

式中：c為錨桿外露長度與錨固段長度之和，取1.4 m；b為頂板破壞高度，根據頂板條件計算取0.8 m。

最終確定錨桿選用長度為2.5 m可以滿足頂板破壞要求。

（2）錨桿桿體直徑d

根據桿體承載力與錨固力等強度原則確定。

式中：Q為錨固力，由拉拔試驗確定87 kN；d為錨桿桿體直徑，mm；σt為桿體材料抗拉強度，340 MPa。

將數據代入上式得：d=17.968 mm。因此，錨桿直徑選取20 mm。

（3）錨桿排距Dr

經計算：所選用的Φ20 mm×2500 mm左旋螺紋鋼錨桿符合頂板支護要求。

（4）錨索長度L

式中: L為錨索總長度，m；L1為需要錨固的不穩定巖層厚度，4 m；L2為需要外露的張拉長度，0.3 m；L3為錨索錨固到較穩定巖層的錨固長度，2 m。

選用6.5 m長錨索，可以滿足要求。

（5）錨索間排距a

式中：a為錨索間排距；k為安全系數，取1.5；N為危巖載荷，取132 kN/m；D為錨索的破斷力，取495 kN。

取2.4 m布置錨索。

經計算：所選用的Φ17.8 mm×6500 mm錨索符合頂板支護要求。

4 應用效果分析

4.1 支護效果分析

28106-1 皮帶順槽按Φ20 mm×2500 mm左旋螺紋鋼錨桿，Φ17.8 mm×6500 mm錨索支護方式施工巷道1200 m，巷道每100 m安設一組頂板離層儀。圖2為1#～5#頂板離層觀測儀觀測數據。分析觀測數據可知，頂板巖層離層量都比較小，巷道變形破壞得到了有效地控制，無需進行大范圍的二次維修。

圖2 巷道頂板離層變形量

4.2 經濟效益分析

過此次對8#煤層頂板巖性、厚度進行分析并對支護強度進行計算、驗算，最后確定采用Φ20 mm×2500 mm左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1200 mm×1200 mm，支護材料成本（錨網索）從原來的754元/m降低到673元/m，每延米巷道節約成本81元，28106-1皮帶順槽1200 m共節約成本9.7萬元，同時大幅降低了巷道維修費用。此次支護參數優化有效的減小了工作量，提高了掘進效率，為掘進水平的提高和快速掘進工藝的研究提供基礎，具有較好的社會、經濟效益。

通過此次巷道支護參數優化，將大幅較低巷道支護成本，減輕工人勞動強度，提高巷道掘進功效，推動整個礦井的生產銜接，實現了安全、低耗、高產、高效的現代化礦井要求，為今后類似條件下巷道支護參數的優化提供有力的參考，具有廣泛的應用前景。

5 結語

針對鎮城底煤礦8#煤層工作面巷道圍巖破碎、支護困難等問題，分析了原有巷道支護方式錨固到了炭質泥巖中，導致支護失效，進而優化了巷道支護參數，選取為采用Φ20 mm×2500 mm左旋螺紋鋼錨桿，Φ17.8 mm×6500 mm錨索，并進行了驗算。最后通過監測巷道變形，巷道頂板離層量得到有效的控制，此次巷道支護參數優化不但降低了支護成本，而且實現了安全高效開采，具有廣泛的應用前景。