二分層采空區下錨網支護的研究與應用

田中春

（山東能源棗礦集團柴里煤礦，山東 滕州 277500）

1 概況

1.1 巷道概述

柴里煤礦3606 工作面3 層煤上分層已開采完畢，3上煤層頂板已全部冒落?，F設計開采3 層煤下分層，63下06 運輸巷即為3 層煤下分層回采巷道，工程量為1 026.627 m，服務至63下06 綜放工作面回采結束。3下煤層直接頂為泥巖，厚0.76～4.50 m，平均2.29 m；基本頂為中砂巖，厚5.13～23.64 m，平均11.30 m。3 煤已開采上分層，剩余3下煤厚2.95～11.78 m，平均5.76 m，局部含一至兩層泥巖夾矸，厚0～0.34 m，煤層結構復雜，煤層硬度為2.2～2.5，煤層穩定程度為穩定，煤層井下標高-63.6～-126.2 m。直接底為泥巖，厚0.40～11.25 m，平均3.12 m；基本底為砂泥巖互層，厚1.32～4.22 m，平均2.11 m。具備開展錨網梯+錨梁支護方式的可行性條件。

1.2 井下位置及水文情況

井下位于一水平六采區北部，南為63下03 工作面采空區，西為田崗斷層附近構造復雜區，東為63下06 設計面里，北為未開采區，上部為6305 一分層采空區。經分析，根據6305 工作面開采期間防塵、長短壁注水等生產用水資料及3 煤頂板砂巖出水情況分析，預計在工作面采空區內存在一定量的采空區積水，預計積水下限標高-116.5 m，積水量約21 150 m3，對掘進期間的安全存在一定影響。

1.3 礦井自然發火期，煤塵爆炸指數

該礦井為低瓦斯礦井，瓦斯涌出量低，CH4相對涌出量為0.7 m3/t，CH4絕對涌出量為3.72 m3/min；CO2相對涌出量為0.91 m3/t，CO2絕對涌出量為4.81 m3/min。該工作面大部分為砂質開放性頂板，不利于瓦斯的賦存。

煤塵具有爆炸性，其爆炸指數為37.49%，煤層自燃傾向為二類，自然發火期為48 d，為低瓦斯礦井。本井田地溫為27.5 ℃，井田內不受沖擊地壓的影響。

1.4 提出支護優化的原因背景

63下06 運輸巷地面標高為+38.56～+40.92 m，井下煤層底板標高為-63.6～-126.6 m。該巷道設計全長1 026.9 m，上分層已開采冒落。63下06 運輸巷沿3 煤底板在3 煤中掘進，開始施工前400 m 區段頂煤厚度不大于1.5 m，采用12#工字鋼棚支護。由于頂煤較薄，工字鋼棚幾乎無初撐力，與上分層采空區構成裂隙，帶來了向上分層采空區漏風的安全隱患。再向前掘進，剩余3 煤下分層煤厚3.1～4.0 m，必然導致工字鋼棚頂與采空區直接相通，將引發采空區高溫，甚至產生發火危險。以上原因帶來了重大隱患，影響礦井的安全生產。為此，進行此巷道的安全支護優化研究，在采空區下進行錨網支護研究與探索[1-5]。

2 施工工藝優化

2.1 巷道斷面

1）原支護方式采用12#工字鋼梯形棚支護作為永久支護，巷道支護規格為梁× 腿＝3.8 m×3.0 m，掘進荒斷面S荒=14.24 m2，掘進凈斷面S凈=12.69 m2。

2）現采用錨網梯+錨梁支護，巷道斷面為矩形，

凈斷面為寬×高=3.8 m×2.6 m，S凈=9.88 m2，荒斷面為寬×高=4.0 m×2.8 m，S荒=11.2 m2。

2.2 支護材料

1）巷道頂部選用MSGLW-500/18×2400 無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距（850 mm×900 mm）±100 mm，配合使用鋼筋網和鋼筋梯護頂；巷道幫部錨桿使用MSGLW-500/18×2400 無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距為（800 mm×900 mm）±100 mm。

2）金屬菱形網。所使用的金屬菱形網為8#鐵絲編制的金屬網，金屬菱形網變形嚴重的不得使用，菱形網的使用見永久支護各斷面支護要求。幫部使用金屬菱形網護幫，規格為長×寬=2800 mm×1000 mm。菱形網之間零搭接，金屬網后嚴禁充填矸石、坑木。幫部煤體破碎、破泥巖區域，局部可以使用鋼筋網代替菱形網，確保支護效果，鋼筋網網格為50 mm×100 mm。

3）鋼筋網。頂部鋪設雙層鋼筋網，網格要錯格鋪設，鋼筋網使用Φ6.5 mm 冷拔鋼絲焊接成網，網格為100 mm×100 mm，鋼筋網規格為長×寬=4000 mm×1000 mm。鋼筋網與鋼筋網之間搭茬半格（50 mm），頂部鋼筋網和幫部菱形網之間要搭茬一格。

4）鋼筋梯。頂部使用Φ14 mm 圓鋼焊接，鋼筋梯規格為長×寬=3800 mm×80 mm；幫部鋼筋梯采用Φ12 mm 鋼筋制作，規格為一根2000 mm×80 mm、一根1000 mm×80 mm 配合使用。

5）錨索。使用Q1860-Φ17.8 mm×3500 mm 錨索，錨索預緊力不小于100 kN（30 MPa）。錨索托盤：高強球形托盤，Q345B，規格為300 mm×300 mm×12 mm。

6）錨固劑。錨固劑均使用樹脂錨固劑，頂錨桿使用2 塊K2570 樹脂錨固劑，幫部錨桿使用1 塊K2570 樹脂錨固劑，頂部錨索使用2 塊K2570 樹脂錨固劑。頂部錨桿錨固力不小于10 T，幫部錨桿錨固力不小于5 T。

7）聯網鐵絲。聯網鐵絲使用12#鐵絲聯網，長度為350～400 mm，網扣扣扣相聯，網扣不低于3 圈，并將扎絲挽向煤（巖）壁，防止刮人。

8）工字鋼錨梁規格為12 號工字鋼，長度3800 mm，孔距3200 mm，端孔距端頭的距離300 mm。工字鋼錨梁托盤規格120 mm×60 mm×10 mm，材質Q345B。托盤與錨索頭之間需采取墊皮子等防切斷措施。

2.3 永久支護

1）巷道頂部選用MSGLW-500/18×2400 無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距（850 mm×900 mm）±100 mm，配合使用鋼筋網和鋼筋梯護頂；巷道幫部錨桿使用MSGLW-500/18×2400 無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距為（800 mm×900 mm）±100 mm。如圖1。

圖1 巷道支護斷面（mm）

2）頂部使用規格為Q1860-Φ17.8 mm×3500 mm 錨索配合錨梁加強支護，錨梁兩側錨索的安設角度為45°，每排打設一組。

3）每隔一排打設一棵“戴帽點柱”進行加強支護，帽的規格為長400 mm，寬150 mm，厚度不小于50 mm 的半圓型墊板。打設點柱滯后迎頭不超過35 m。

2.4 施工方式

切割完成上部斷面裝煤后，將切割頭落至底板，使用前探梁將鋼筋網接至頂板進行臨時維護，然后對頂板進行錨網支護，并根據錨索間距打設錨索。對頂板錨網支護后再打設兩幫上部三棵錨桿，切割下部斷面時，提前將兩幫所使用的菱形網與頂網進行聯網并將肩窩錨桿施工完畢，多余菱形網用1 扎絲捆在兩幫上，嚴禁影響掘進機切割，然后對下部斷面進行切割。為了提高施工效率，在迎頭掘進期間，也可采用分層切割，即：切頂、完成上部斷面切割裝煤作業后，打頂部和兩幫上部2 根錨桿，繼續向前切割，打頂部和兩幫上部2 根錨桿，一次允許撇4 排底部剩余錨桿。剩余下部斷面，在切割后整體進行錨幫加固。迎頭最后一排在頂部永久支護后，幫部可預留一排，便于下班幫部切割。

2.5 錨桿安裝工藝

1）每次截割前后、打眼前，要首先進行敲幫問頂；及時使用前探梁進行臨時支護，仔細檢查頂幫圍巖情況，發現安全隱患及時采取相應的整改措施，確保安全再施工。

2）打眼前，先按偏中線嚴格檢查巷道斷面規格，不符合作業規程要求時，必須先行處理。

3）確認安全完畢后，方可開始錨桿支護工作。

4）頂板使用MQT--130 風動錨桿鉆機鉆眼，鉆桿為B19 六棱中空釬桿，長度分別為1200 mm、1000 mm，鉆頭為Φ27 mm 的二翼式金剛鉆頭，打孔深度2350 mm。

5）幫部使用ZQS-50/60 手持式風動幫錨機，釬子為直徑26 mm、長度2400 mm 的麻花鉆桿，釬頭為Φ27 mm 二翼式鉆頭，濕式鉆眼。打孔深度

2350 mm。

6）錨桿眼的位置要準確，眼位誤差不超過-50 mm～50 mm，眼向誤差不大于15°，錨桿眼深度與錨桿長度相匹配。

7）錨桿眼打好后，應將眼內的煤（巖）渣、積水清理干凈（可用錨桿將煤巖粉、積水拉出鉆孔）。打眼、安裝錨桿的順序由外向里，先頂后幫；頂部先打中間眼，后打兩側眼；幫部先打上部錨桿眼，后打下部錨桿眼。

2.6 安裝錨桿技術要求

1）頂錨桿使用錨桿鉆機安裝，頂錨扭矩不小于250 N·m。

2）幫錨桿采用扭矩放大器配合幫錨機安裝并打開阻尼，扭矩不小于250 N·m。

3）頂板錨桿支護時，應先進行頂板中間錨桿的打設（先中間后兩邊），幫部錨桿應從上至下打設。

4）迎頭施工期間，由于綜掘巷道施工循環進度頻繁，采取集中支護幫部下部錨桿的施工工藝。巷道進行幫錨支護時，先支護幫部中上部2 根錨桿，待本班施工結束出凈底煤后，集中對幫部余下錨桿進行支護。支護下部錨桿時，巷道最前方1 排幫部錨桿暫不進行支護，以便下一循環的切割。

5）頂板安裝錨桿方法步驟：

① 首先檢查眼孔的眼位和角度，合格后用錨桿將樹脂錨固劑送入眼內，使錨桿頂住樹脂錨固劑，錨桿外端套上螺帽。

② 用安好攪拌器的風動錨桿機卡住螺帽，開動錨桿機，使錨桿機帶動桿體利用上推力把樹脂錨固劑推入眼底。在上推樹脂時嚴禁旋轉。

③ 然后迅速旋轉錨桿攪拌10～15 s，攪拌同時施加上推力，直到錨桿托盤離頂板20 mm 左右。嚴禁把托盤緊貼壓在頂板上。

④ 完成攪拌后停止30 s 左右讓樹脂錨固劑充分凝固，再旋轉攪拌器上緊螺母。在緊螺母時應給最大扭矩，以最大限度地上緊螺母。

6）幫部安裝錨桿方法步驟：

① 首先檢查眼孔的眼位和角度。安裝前，應將眼孔內的積水、煤（巖）粉用壓風清理干凈（可使用錨桿將煤巖粉、積水拉出）。

② 合格后，用錨桿將1 支樹脂錨固劑送入眼底，使錨桿頂住樹脂錨固劑，錨桿外端套上螺帽。

③ 用安好攪拌器的幫錨機卡住螺帽，開動幫錨機，對錨固劑進行攪拌15～20 s。攪拌同時施加推力，利用推力推動錨桿直到錨桿托盤距離幫部20 mm 左右，方可撤去幫錨機。

④ 完成攪拌后停止40～60 s 左右讓樹脂錨固劑充分凝固，再利用扭矩放大器對錨桿進行緊固，確保錨桿扭矩符合要求。

錨桿安裝可以總結為：一推（推樹脂入孔到規定位置），二轉（旋轉攪拌樹脂），三停（停，樹脂完成初凝），四緊（緊固螺母）

7）合格的錨桿安裝應該滿足的標準：

① 充填阻尼必須全部脫落，否則錨桿無法達到安裝載荷。② 塑料墊圈必須溶化掉。③錨桿外露螺母長度10～50 mm。④ 用扭矩扳手檢驗，扭矩不能低于250 N·m。

8）錨桿二次預緊，使用扭矩放大器的安全注意事項：

① 使用前必須檢查各連接部位的連接固定情況，確保連接可靠。

② 使用扭矩放大器前，必須把扭矩放大器的安全鏈掛鉤（扭矩放大器把手末端）掛在金屬網上，安全鏈長度不大于200 mm。

③ 在使用扭矩放大器時一定要注意安全，安排一名有經驗的職工雙手扶著把手，人員身體部位必須避開扭矩放大器把手的旋轉范圍，以防止扭矩放大器轉動傷人。

④ 使用扭矩放大器時，盡量使錨桿安裝機具的軸心、扭矩放大器軸心及錨桿軸心在同一條直線上，防止扭矩放大器受力不均而損壞，同時可以提高錨桿的安裝應力。

⑤ 使用扭矩放大器時，操作人員之間相互配合好，在指揮扶把人員后對安裝機具均勻加速達到最大轉速，直至錨桿扭矩力達到規定要求。

⑥ 扶把人應時刻注意，感應鉆具的反扭矩，及時調整扶把力量，確保把手不脫離。

2.7 錨索安裝技術要求

1）錨索鉆孔軸線與設計的軸線的偏差角不應大于2°。

2）錨索預緊力不小于100 kN。

3）錨索眼深誤差為0～200 mm。

4）錨索外露索具長度為+150～+250 mm。

5）錨索攪拌樹脂藥卷過程中不能停頓，要一次攪拌完畢，絕對不能重復攪拌。

6）錨索安裝48 h 后，如發現預緊力下降，必須及時補打。

7）張拉時發現錨固不合格的錨索，必須在其附近補打合格的錨索。

8）錨索托盤與頂板金屬網緊貼，錨索托盤下使用配套鎖具固定。

9）錨索安裝必須按照設計隨掘進迎頭及時安設。

3 技術保障

1）63下06 運輸巷向前施工時重新調整巷道施工層位，保證巷道頂煤厚度大于3.0 m 的前提下，破煤層底板掘進施工。必須確保巷道西幫頂部實體煤厚大于3.0 m 才能由架棚支護更改為錨網支護，頂板破碎、掉頂范圍不計入3 m 厚度要求內。

2）施工人員要探測頂煤厚度，施工結果要實名制登記臺賬，以便及時調整施工層位，確保巷道頂板上部實體煤厚達到3.0 m 以上。打設探孔后要及時用黃泥進行封堵，防止漏風。

3）施工期間加強觀測，后路頂部出現墜網或壓力顯現頂板離層時，迎頭要立即停止施工，對墜網或壓力顯現區域扶棚或單體配合花邊工字鋼加強支護。現場料場需備用不低于10 架棚支護用料。

4）頂部使用規格為Φ17.8 mm×3500 mm 錨索配合錨梁加強支護，錨梁兩側錨索的安設角度為45°，錨索錨入巷道兩幫頂板位置，每排打設一組，每隔一排打設一棵“戴帽點柱”進行加強支護。

5）及時對錨桿支護質量進行檢測，錨桿錨固力抽樣率為3%，不小于設計值的90%，每300 根頂、兩幫錨桿各抽樣一組，每組不少于3 根（共不少于9 根）。由質量驗收員對支護錨桿進行拉力檢驗，記入測試臺賬。

4 礦壓觀測

1）該支護技術要求對頂幫進行現場觀測，技術人員每隔50 m 安裝一組壓力表，每組測點分別在巷道頂、幫各安1 塊共3 塊大于20 t 的壓力表，監測錨桿受力和巷道變形情況。根據監測結果，上報生產技術科，及時調整支護強度。

2）施工過程中每隔30 m 設一組圍巖位移量觀測點，在頂板安裝一塊型號為KBW101-200 頂底板移變量動態報警儀，進行頂板位移量觀測。

3）每50 m 設一個測點，每個測點的頂板離層儀安裝在巷道的頂板上。當頂板下沉量達到100 mm 時，頂底板位移量總計超過300 mm，及時采取打設戴帽點柱或套工字鋼棚加強支護，并上報生產技術科，進行技術會診，采取更改支護措施。

如圖2 所示，充分采動的范圍常用充分采動角（常用ψ表示）來確定，下山方面的充分采動角以ψ1表示，上山方向的充分采動角以ψ2表示，走向方向的充分采動角以ψ3表示。

圖2 移近量變形圖

5 價值分析

1）新型錨網梯索梁支護工藝，可以有效解決工作面與上分層采空區漏風的問題，杜絕高溫發火安全隱患。

2）選擇的支護方式既能滿足支護強度，又能做到控制成本，達到效率最大化、工藝最優化目的。錨網支護為主動支護，工字鋼架棚支護為被動支護，錨網支護在支護形式上就優于架棚支護，且錨網支護后期巷道整改維護較少。工字鋼架棚支護采煤時對工字鋼回收，工序較復雜，安裝、采煤期間比錨網支護危險系數高。

3）錨網支護保證了支護安全又節約了成本，大大降低了職工的勞動強度。錨網支護為采煤工序服務，不再回撤工字鋼棚，節約了大量人力物力。

4）施工期間保證了巷道支護強度，提高了施工進度，節約了施工成本，至工作面施工完畢，共可節約人工成本178 多萬元；且為采煤工序提供了大大的便利性，做好了服務，避免了全部采用工字鋼架棚支護，降低了職工的勞動強度，平均減少了3 道工序，每天節省職工5 人，大大提高了施工效率，減少了工作面的施工時間，保證了工作面的接續。

6 結語

通過掘進回采來看，新型錨網梯索梁支護工藝層位控制得當，支護質量達到要求，有效地印證了此項工藝技術可行性。該支護工藝具備可復制性，現在已在柴里煤礦23616 運輸巷、軌道巷，63下06軌道巷等大部分掘進巷道中大范圍推廣使用，且這種支護工藝可以適用于國內大部分礦井，具有一定的借鑒意義。