下分層回采巷道的全錨索支護技術研究

李學鵬

（山西長平煤業有限責任公司，山西 高平 048499）

在我國大中型煤礦中，巷道采用錨桿支護的比例已超過90%[1]。隨著錨桿支護技術的發展，近些年煤礦巷道的掘進速率和支護效果得到了很大的提高。然而，煤巷錨桿（索）支護技術還有很大的發展空間[2-4]，研究采動影響條件下回采巷道錨索支護，對快速掘進和支護安全有著重要的意義。長平煤礦下分層回采巷道現采用鋼棚支護形式，支護效果不佳、工作量大、支護成本高。

1 工程概況

1.1 41052 運輸巷位置

長平煤礦41052 工作面位于3 號煤層41 采區西翼，工作面位置如圖1 所示。3 號煤層厚4.7 m，傾角13°，采用分層開采法，上分層厚2.4 m，下分層厚2.3 m。41052 工作面為下分層工作面，北部和西部為上下分層均已回采的采空區，南部為大巷保護煤柱，東部為上山保護煤柱。

圖1 工作面位置示意圖

41052 運輸巷位于41051 工作面之下，41051工作面2016 年2 月回采結束，采空區存在積水。41052 運輸巷長度為356 m，平均埋深為473 m。

1.2 41052 運輸巷頂底板概況

41052 運輸巷直接頂為金屬網假頂，基本頂為6.2 m 厚的細粒砂巖與砂質泥巖互層。41052 運輸巷的綜合柱狀圖如圖2。

圖2 綜合柱狀圖

1.3 41052 運輸巷頂板結構分析

在41052 運輸巷中41052 開切眼附近進行頂板鉆孔窺視，3 號煤層頂板以上0～4.2 m 圍巖破碎嚴重，4.2～6.0 m 頂板相對較好，但6.0 m 處有一處明顯裂隙破碎，6.0 m 以上頂板完好，巖體為整體塊狀結構。

根據該礦多個頂分層工作面回采期間的礦壓觀測總結，直接頂冒落高度2～4 m，破斷步距12～17 m，煤層傾斜方向基本頂分段下沉垮落長度7.5～15 m。根據多條下分層煤巷頂板鉆孔窺視情況和打鉆過程排渣情況分析，冒落的破碎帶巖層最大發育高度為6 m，6 m 往上鉆孔壁趨于完整，裂隙較少，推測進入裂隙帶內。

2 下分層回采巷道新型支護形式的提出

2.1 傳統支護形式問題分析

按照長平礦以往下分層回采巷道的支護經驗，此類巷道均采用12#工字鋼棚+工字鋼抬棚被動支護，支架不能提高巷道圍巖的殘余強度，使得巷道松動圍巖壓力全部由支架承受。下分層巷道頂板為垮落后重新壓實和膠結的頂板，支架在對巷道徑向圍巖支護阻力不足時，頂板會發生離層和下沉，圍巖殘余強度會降低，使得巷道松動圈增加，造成巷道變形嚴重。底板為泥巖時，在水的作用下，棚腿會鉆底嚴重，加劇巷道變形。下分層的弱膠結頂板在受到采動影響后，巷道頂板破碎范圍會進一步增加，工字鋼變形嚴重，甚至出現頂梁擋塊脫焊現象，在工作面回采過程中，需要不斷重復修棚換棚，支護成本大大提升。

2.2 新型支護形式的提出

根據相鄰采區下分層回采巷道掘進觀測結果可知，巷道開口后初期頂板破斷前并不淋水，證明此地質條件下的下分層巷道頂板已經壓實并膠結，具有隔水性，推斷其具有一定承載能力。

根據錨桿支護的“組合梁”[5-6]，如果采用長錨索支護，將錨索錨固在深部中粒砂巖層中，通過向錨索施加一定的預應力，巷道頂板下部的破碎膠結層和深部砂巖層可以形成組合梁，巷道兩幫可以看作為組合梁的支點，此種組合梁可以防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現離層現象，增加了整體的抗彎能力，可以穩定支承其上部的巖層載荷。深部裂隙帶的穩定巖層對下部垮落松散層起到懸吊作用。各層間摩擦阻力愈大，整體強度愈大，補強效果愈好。對于回采巷道揭露的層狀巖體，直接頂均有彎曲下沉變形趨勢，如果使用錨索及時將其擠壓，并懸吊在基本頂上，直接頂板就不會與基本頂離層乃至脫落。

實施錨網索支護后，錨索和錨固區域的巖體相互作用形成統一的承載結構，可提高錨固體的力學參數，改善圍巖的力學性能。下分層煤巷的圍巖錨固區內的煤巖體處于破碎區和塑性區，錨固后可以提高其殘余強度，可以改變圍巖的應力狀態，增加圍壓，從而提高圍巖的承載能力。巷道圍巖錨固體強度提高以后，可減少兩幫破碎區、塑性區的范圍和巷道的表面位移，有利于保持巷道圍巖的穩定。

錨索支護降低勞動強度，簡化了施工過程，降低了成本。

2.3 錨網支護設計

根據懸吊理論，頂板錨索錨固力最低要能懸吊頂板淺部松散巖體的重力。

1）頂板錨索長度Lt

式中：La為錨入完整巖體的錨固長度，取1.5 m；Lb為被懸吊的巖層厚度，取6 m；Lc為索具及托盤的厚度，一般取0.15 m；Ld為外露長度，取0.25 m。經計算Lt≥7.90 m。最終，錨索長度定為8.00 m。

2）頂板錨索直徑

錨索的直徑應先按照錨索能承受的最大錨固力進行計算，其計算公式如下：

式中：φ為錨索的直徑，mm；Fmax為錨索最大錨固力，500 kN；Rm為鋼絞線的抗拉強度，1860 MPa。經計算可得錨索φ=18.50 mm。因此，可選擇直徑為18.9 mm 的錨索。

3）頂板錨索間排距

按照等間排距計算：

式中：Fmax為最大錨固力，取500 kN；K為1.5～2，取2；γ為懸吊巖石平均容重，取19 000 N/m3；s1、s2為錨索間排距，m。經計算s1=s2=1.48 m?？紤]到此巷道為下分層回采巷道，應適當減小錨索間排距，頂錨索間排距初定為900 mm×900 mm。

4）通過懸吊松散層重力驗證頂板錨索直徑

式中：W為破碎巖層單位長度巷道承受頂板的總重力，W=γ×B×Lb，B為巷道寬，4.8 m，經計算，W=547 200 N；n為每排錨索的根數，取5；Ka為安全系數，取0.5。經計算φ=12.2 mm。因此，實際選用錨索的直徑為18.9 mm，符合要求。

5）幫錨索的長度

巷道兩幫潛在破壞區寬度由公式（5）計算：

式中：L1為破壞區寬度，m；h為巷道高度，取3 m；β為煤層內摩擦角，取35°。經計算L1=0.528 m。

幫錨索長度Lw由公式（6）計算：

式中：La為錨入完整巖體的錨固長度，取1.5 m；Lc為索具及托盤的厚度，一般取0.15 m；Ld為外露長度，取0.25 m。經計算Lt≥2.428 m?？紤]到此巷道為下分層回采巷道，煤層受上分層回采影響，煤層巖體強度有所減弱，巷幫的上半部煤層幫錨索長度定為4.3 m，下半部巖層幫錨索長度定為2.5 m。

6）幫錨索的間排距

考慮到施工工藝的統一性，令幫錨索間排距相等為sb，sb≤0.5Lt。經計算sb≤1.214 m。綜合考慮頂幫的統一施工，最終將幫錨索間排距定為900 mm×900 mm。

巷道斷面為梯形斷面，底板寬4800 mm，中線高3000 mm，低幫高2450 mm，高幫高3550 mm。結合現場觀測和理論計算結果提出以下支護方案。

頂板錨索：頂板采用Φ18.9 mm×8000 mm 高強預應力錨索，錨索排距為900 mm。考慮到巷道跨度較大，巷道中間的頂板區域在受力變形時彎曲變形將較為嚴重，拉應力區較大，需要通過加密中部頂板錨索間距補償壓應力，以達到改善頂板應力狀態的效果。因此，將頂板中間三根錨索的間距定為800 mm，兩側的兩根錨索間距變為1000 mm，如圖3 所示。錨索預緊力不小于200 kN，錨固力不小于500 kN。沿巷道中心線打設一排單體柱抬棚，單體液壓支柱間距為900 mm。

圖3 巷道支護設計斷面圖（mm）

幫部錨索：如圖3 所示，煤段采用Φ18.9 mm×4300 mm 高強預應力錨索，巖段采用Φ18.9 mm×2500 mm 高強預應力錨索。錨索預應力不小于200 kN，錨固力不小于500 kN。

3 新型支護方案的數值模擬效果驗證

3.1 模型建立

采用FLAC3D6.0 數值模擬軟件對錨網索支護效果進行計算分析。模型在巷道軸向方向長為0.9 m，模型尺寸為50 m×50 m×0.9 m，模型頂部邊界施加大小為1.648 MPa 的均布載荷代替頂部巖層，四周限制水平位移，z軸方向限制z方向位移，側壓系數均設為1。

3.2 參數取值

通過現場巖樣采集、實驗室巖石物理力學參數測定后，測得巖塊物理力學參數，再通過Hoek-Brown 準則將巖塊物理力學參數進行折減得到各巖層巖體的物理力學參數，最終巖體的密度ρ、彈性模量Em、泊松比μ、單軸抗拉強度σtm、內聚力cm等巖體力學參數見表1[7]。

3.3 錨網索支護效果驗證

將表1 中參數帶入數值模擬軟件進行計算，錨索支護參數完全按照2.3 中的設計結果進行設定，最終得到巷道的位移云圖如圖4。對巷道的頂底板和兩幫中點位置進行巷道表面位移量監測，最終得到頂板下沉量為72 mm，底鼓量為230 mm，高幫移近量為42 mm，低幫移近量為35 mm。從數值模擬結果可以得出，巷道采用錨網索支護后整體的變形量符合安全需求。

圖4 錨網索支護位移云圖

4 現場工業性試驗

4.1 現場觀測

將錨網索支護方案在41042 運輸巷進行現場工業性試驗。巷道掘進后，在距開口距離為50 m和100 m 位置，采用十字布點法對巷道的表面位移量進行觀測。距開口50 m 處巷道頂板下沉量為32 mm，底鼓量為103 mm，高幫移近量為23 mm，低幫移近量為15 mm；距開口100 m 處巷道頂板下沉量為46 mm，底鼓量為113 mm，高幫移近量為45 mm，低幫移近量為24 mm?，F場檢測結果和數值模擬的監測結果比較接近，巷道的變形量可以滿足安全要求。

4.2 經濟效果

采用錨網索支護后成本大大減少。傳統工鋼棚支護單價為4562 元/m，錨網索新型支護前期施工中成本為2850 元/m，每米減少投入1712 元。另外，工作面回采時，采用錨網索支護可回收全部頂板錨索梁和托盤，錨網索支護實際投入為1463 元/m，成本單價降低了3099 元/m，全巷預計可減少材料費投入110 萬元。

采用錨網索支護后，勞動組織方式得到了優化，相較于工鋼棚支護每班減少卸、運工鋼棚人員，減少了后期巷道修理人員，降低了工人勞動強度，提高了安全系數。

5 結論

1）通過總結分析長平煤礦下分層回采巷道傳統支護形式的缺點，提出新的錨索支護方案；通過現場觀測和理論計算的方法，確定了錨索支護方案。

2）采用FLAC3D數值模擬軟件建立了41052 運輸巷模型，對錨網索支護效果進行模擬分析，證明了錨網索支護方案的可行性。

3）將所確定的錨網索支護方案應用于41052運輸巷現場施工，巷道掘進后變形量可以滿足安全要求，證明下分層回采巷道在頂板膠結較好時，可以采用錨索梁+金屬網進行支護，可為同等條件下工程提供借鑒和參考。