综采放顶煤工作面顺槽锚网索支护参数的设计

文/张秋林

综采放顶煤工作面顺槽锚网索支护参数的设计

文/张秋林

沁阳煤矿位于山西沁水煤田西部，井田范围5.145k m2,属低瓦斯矿井。矿井共有三个井筒，以一井一面达到矿井生产能力，采煤工作面采用综采放顶煤工艺。

一、工作面概况

沁阳煤矿3110综放工作面煤层平均厚度5.89m，煤层倾角平缓，水文地质构造简单，顶板为泥岩，直接顶为粗粉砂岩，老顶为中粒砂岩，底板为粗粉砂岩。工作面两顺槽采用锚杆锚网支护，矩形断面，煤层产状平缓，倾角在0°～5°，水文地质情况简单，局部地段有淋水。煤层顶板有20cm左右的泥岩伪顶，直接顶为2m左右的粗粉砂岩，老顶为中粒砂岩厚度为8m，底板为粗粉砂岩，厚度为2m。

3110工作面顺槽沿煤层底板掘进，3126巷、3130巷分别为其运输顺槽和回风顺槽，其中运输顺槽宽4200mm，高 2900mm，回风顺槽宽 3500mm，高2900mm，瓦斯尾巷沿顶板掘进，回风顺槽宽3000mm，高2500mm。

二、支护设计

1.设计理论依据

本次巷道支护参数设计以围岩松动圈支护理论和矩形煤巷相似模拟试验结果为依据，根据井下巷道破坏变形观察和围松动圈实测，3110综放面顺槽为大松动圈围岩巷道。对支护参数和施工工艺应根据组合拱理论设计，支护形式采用锚网索一体支护。锚杆为主体构件，在围岩碎胀过程中锚杆受拉并将其拉应力转化为对围岩的压应力，从而使已破裂松动的围岩重新组合起来并形成新的支护结构体——组合拱。

2.断面形式与尺寸

3110工作面顺槽采用矩形断面，其中运输顺槽宽4.2m，高2.9m，断面积12.18m2；回风顺槽宽3.5m，高2.9m，断面积10.15m2；瓦斯尾巷宽3.0m，高2.5m，断面积7.5m2。

3.锚网索一体支护

锚网索支护结构主要适用于复杂地质开采条件下的巷道支护，包括厚煤层沿底板掘进的煤层顶板、煤岩交替沉积、层厚较薄的复合顶板和岩体松软、压力大的Ⅳ、Ⅴ类巷道围岩条件，以及巷道断面加大、位于采空区侧巷道、孤岛开采的工作面两巷、受构造影响区域的巷道等。

根据地质条件，3110综放面顺槽采用锚网索一体支护，优越性主要体现在：锚网索一体支护是主动支护结构；在支护参数设计上，加大了组合拱的厚度，且参数选择的合理性经计算分析并进行验证；提高巷道支护结构的整体性，增设两帮钢筋梯和金属网。

具体支护参数如下。

顶板锚杆：锚杆规格φ20×2200mm，采用单向左旋无纵筋螺纹制作，锚杆的间排距为800mm×800mm，锚杆孔径为 φ29mm，2卷树脂药卷端锚，CK2335和K2335各一卷，锚固长度不小于700mm，锚固力不小于70KN。

两帮锚杆：采用玻璃钢锚杆， 规格为 φ20× 2000mm，锚杆的间排距为800mm×800mm，2卷树脂药卷端锚，锚固长度不小于700mm，锚固力不小于70KN。

锚索：F17.8×7500mm，排距为1600mm，锚固长度不小于1000mm，锚固力不小于300KN。

锚杆托盘：顶板托盘采用8×130×130mm的Q235金属托盘，帮部采用20×150×3500mm大木板。

锚索托盘：10×300×300mm的钢板。

钢筋梯：钢筋梯采用φ14的钢筋焊接而成，顶板长度为3500mm，帮部长度为2300mm，外宽100mm，中间焊接短肋间距与锚杆间距一致800mm。

金属网：金属网规格为3.8m×1.0m，采用10#铅丝编织的菱形金属网（或尼龙网），网格为50×50mm。

4.锚杆间排距设计参数验算

（2）组合拱承载力。组合拱承载力主要取决于锚杆的约束阻力，煤岩体内摩擦角，组合拱切向承载力，径向约束阻力的大小。

（3）锚杆合理参数确定与验算。锚杆约束力一般与锚杆长度、锚固剂性能、锚固方式、锚杆及钻孔粗糙度有关，即与锚杆支护“三径”匹配有关。对于端锚，它的极限值为最大拉拔力。因此：

式中：Qb—锚杆最大拉拔阻力，由现场试验取得，这里取70kN；k’—锚固方式系数。端锚取1.0；矩形组全拱受外部围岩应力作用，设为均布荷载q作用，根据受力平衡，q在组合拱中产生的切向力，式中：W为巷道宽度。根据围岩松动圈支护理论，均布载荷q即煤岩体剪张力，与围岩应力和强度有关，由岩性试验得到。要保证组合拱稳定而不受破坏，组合拱承载力应大于围岩荷载产生的切向力。

巷道帮锚杆，由于按侧压力系数0.8估算组合拱厚度应为1.21m，那么锚杆合理长度应为2.0m。显然，巷道顶板与帮锚杆长度及间排距是合理的。

三、矿压观测

1.巷道表面位移测试

通过在巷道的两帮及顶底板布置固定的测点，测定巷道的两帮内挤量、顶板下沉量、底臌量、顶底板移近量等参数。表面位移测试在各类巷道中均可布置测点。测点应在掘进工作面5～6m范围内安设，钻直径42mm、深380mm的孔，将长度为400mm、直径为42mm的木桩打入孔中，木桩端部安设环形钩测钉。用测线绳和皮卷尺直接量测位移量。

在试验巷道中，共设4～5个测试断面；在巷道不稳定期间，可每天测试一次，当巷道趋于稳定后，可适当延长测试的时间间隔。

2.锚固区内外顶板离层观测

采用顶板离层观测仪测试顶板岩层锚固范围内外位移值，一般设2点（锚固区内外各一点）。

3.效果分析

由监测结果可知：3126顺槽煤巷顶底板最大变形量为29mm，帮最大变形量为43mm，顶板离层量很小，在20mm范围内，且在20天内基本稳定。试验段巷道并未发生的变形及裂缝、断裂现象，没出现断锚杆等异常情况，巷道稳定状况良好。锚网索一体支护起到了预期的支护效果，同时提高施工速度节约了投资，说明支护方案科学安全可行。

巷道围岩变形监测

四、结论

1.“矩形锚网+锚索”锚杆支护设计在沁阳煤矿综放顺槽煤巷支护中获得成功。

2.在支护过程中，采用加固帮角的支护方法，能较好地控制顶板变形与破坏。

3.采用锚杆支护，允许巷道发生一定的变形，巷道围岩变形与破坏控制在生产允许的范围之内。

4.锚网索支护能有效控制综放顺槽煤巷围岩的离层和不协调变形，提高了顺槽巷道支护的整体性，保证了矿井的安全生产。

（作者单位：山西兰花沁阳煤矿有限公司）

（责任编辑：李元）