穿煤层巷道锚网索支护技术的应用

杨 栋 陈泉建

（平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南省平顶山市，467000）

平煤股份六矿属平煤集团大型骨干矿井，矿井开拓方式为分水平上下山盘区式开拓，主要开采丁5-6、戊8和戊9-10煤层。戊8和戊9-10煤层间距在2～10m，上下山车场采用联合布置，施工石门时经常要穿煤层托煤施工。因煤层自稳性差、易脱落，通常采用的是U 型钢可缩性拱形支架或锚喷+U 型钢可缩性拱形支架联合支护方式，但U 型钢可缩性拱形支架支护属于被动支护，存在支护成本高、工人劳动强度大、施工速度慢、易变形、巷道返修困难等缺点。近几年，在巷道支护上坚持能打锚杆就不架棚子的理念，在穿煤层施工时，对传统的架棚支护进行反复论证、创新改进，在-440m大巷、戊8-22250 及戊9-10-22160 机巷联络巷等工程中采取了锚网索联合支护技术，在实践中取得了良好的支护效果和经济效益。本文以戊9-10-22160机巷联络巷为例，对穿煤层托顶煤锚网支护方案进行阐述。

1 工程概况

戊9-10-22160机巷联络巷设计长度67m，自戊8煤层中开口穿过戊8煤层、戊9煤层最终沿戊10煤层顶板施工，戊8煤层厚2.3m，煤层倾角13°，戊8煤层与戊9煤层间距4.5m，戊9煤层厚0.3m，戊9与戊10煤层间距为0.5m，戊10煤层厚3m。巷道掘进过程中有3条断层，顶板完整性差，围岩破碎。巷道设计断面尺寸 （宽×高）为4.3 m×3.5 m。巷道平面布置图见图1。

图1 巷道布置图

2 支护原理

以锚网索联合支护方式代替架棚支护，主要以悬吊理论及组合拱理论为设计依据。悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强软岩层的稳定性，对于平煤六矿的软岩巷道，围岩松动圈达2 m 以上，施工锚杆的长度受到多方面的制约，无法锚固在稳定的岩层里，锚杆的悬吊作用实际上往往难以实现。但同时又根据组合拱理论认为在拱形巷道围岩的破裂区中，安装预应力锚杆时，在杆体两端将形成锥形的压应力，如果沿巷道周边布置锚杆群，只要锚杆间距足够小，各个锚杆形成一个均匀的压缩带，可以承受其上部破碎岩石施加的径向载荷。锚网索支护属于主动支护。锚杆可以增强下部围岩体的整体稳定性，穿煤层巷道支护的重点之一就是根据不同的顶板状况，合理选取不同的锚杆支护参数，形成良好的支护效果。锚索的作用主要是以悬吊为主，通过外端固定于巷道表面，另一端固定在稳定的岩体中，锚索的杆体较长，可以很好地锚固松动圈内煤岩体，同时锚索的预应力钢绞线可增大锚索的抗滑摩擦阻力，使结构面处于压紧状态，提高锚固范围内煤岩体的整体性和稳定性，从而改善煤岩体的力学性能，有效控制巷道变形，达到支护目的。在软弱岩 （煤）体中，通过采取加密锚杆、增加锚杆长度，提高锚杆预紧力等形式增加加固拱的厚度和承载力，同时增大锚索托盘尺寸，使受力面增大进而提高锚索的支护强度，做到强力护表。

如图1 （b）所示在联络巷掘进至Ⅱ-Ⅲ段过程中，巷道高度逐渐增高，随着高跨比的增加，两帮移近量随巷道高跨比的增加而增加，但顶底板移近量却随巷道高跨比的增加而减小，且矩形巷道的最佳高跨比宜为0.7 左右。在联络巷超高段高跨比达到1.2，两帮位移量将明显变大，巷道易失稳，需加强两帮支护。

3 穿煤层联络巷方案设计

戊9-10-22160机巷联络巷所穿岩层情况复杂，巷道自戊8-22160 机巷开口沿戊8煤层顶板施工，施工过程中遭遇3条断层，煤层紊乱，顶板破碎。然后穿过戊8煤层、戊9煤层，最后沿戊10煤层顶板施工，根据联络巷掘进过程中巷道顶板遇到的地质条件不同，可将联络巷分为沿戊8煤层顶板掘进段、超高段、托顶煤段3种情况分别设计支护方案，联络巷3段分别对应图1 （b）中Ⅰ-Ⅱ段、Ⅱ-Ⅲ段、Ⅲ-Ⅳ段。

3.1 沿戊8煤层顶板段支护方案设计

联络巷自戊8煤层开口沿煤层顶板掘进，即图1 （b）中开口位置Ⅰ-Ⅱ段。该段戊8煤层顶板相对稳定，顶板为坚硬岩石，可根据悬吊理论计算锚杆参数，计算得出顶板锚杆采用ø22 mm×2400mm的左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，锚杆间排距700 mm×800 mm；两帮锚杆采用ø20 mm×2200mm等强锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm；树脂锚固剂选用MSCK2335 型超快树脂药卷，锚杆托板采用ø150 mm×14 mm 压制成形的蝶形钢板；锚索采用ø17.8mm×8000mm 的钢绞线锚索，外露部分在150～250 mm 之间，锚索间排距1400mm×2400 mm，锚索托盘为ø240 mm×14mm 圆形轧制钢板；金属网采用直径为3.8 mm 冷拔丝制成的单层金属网，金属网规格为3.0 m×1.0m （长×宽），网格尺寸50mm×50mm，网与网搭接不低于100mm，且每隔200mm 采用14＃铁丝相互扭结牢固。

3.2 联络巷超高段支护方案设计

联络巷超高段即图1 （b）中的Ⅱ-Ⅲ段，这一段顶板沿戊8煤层掘进，而底板则保持水平掘进，由于戊8煤层倾角13°，联络巷在向前施工中顶板逐渐上抬，底板保持水平，此时巷道高度逐渐增加，最高处高度达到5 m （设计高度仅为3.5 m），巷道超高，帮体易变形。此段巷道沿戊8 煤层顶板掘进，顶板支护参数不变。由于巷道超高，需加强联络巷两帮支护强度和刚度提高巷道自稳性。联络巷帮体上部为煤，下部为岩石，采取竖向打设锚索梁以固定帮体煤与岩石，增加两帮整体强度，从而达到加强支护的目的，锚索梁采用U29型钢梁加工而成，排距为1.4 m。同时将帮锚杆间排距缩至700mm×700mm。该段巷道支护参数见图2。

图2 1-1断面支护图

3.3 穿煤段支护方案设计

穿煤段为图1 （b）中Ⅲ-Ⅳ段，在穿煤层过程中，戊10煤层与戊8煤层间距为5.3m，联络巷需穿过戊8煤层，并将戊8煤层托在顶板以上，此段可称为托煤段。由于戊8煤层、戊8煤层下部和戊9煤层为软弱岩层，顶板稳定性差，抗压强度低，若仍使用长度为2400mm 的高强锚杆，锚固端锚在煤或软岩中，悬吊理论已不再适用，应按加固拱原理选取支护参数，经计算需采取加长锚杆、加密锚杆锚索方案确保支护有效。顶锚杆采用ø22 mm×2600 mm 锚杆全长锚固，顶锚杆间排距改为700mm×700 mm，帮锚杆间排距为700 mm×700mm。金属网改用双层金属网，锚索间排距缩小为1400mm×1400mm，根据以往巷道支护情况分析和该巷的服务年限，锚索托盘采用300mm×300mm×14mm 的方形钢制托盘。

4 技术关键

（1）施工过程中要及时探明顶板以上煤层赋存状况，准确掌握巷道围岩性质、煤层厚度稳定岩层位置等地质情况。

（2）根据顶板岩性及上部煤层间距与煤厚，合理选择支护参数。当顶板使用的普通高强锚杆锚固端锚在煤或软岩中时，应及时增大锚杆长度，将锚杆更换成更长的高强锚杆，同时缩小锚杆、锚索的间排距。

（3）在放顶煤施工段巷道超高段 （大于4.0m）采取打设帮锚索梁措施，有效控制巷道两帮变形；为确保锚杆支护强度，使用大力矩扳手提高锚杆预紧力，使锚杆预紧力扭矩达到500N·m以上。使用规格尺寸更大的锚索托盘及双层金属网进行强力护表，提高巷道整体承压能力。

5 支护效果

矿压监测分别在图1 （b）中的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ位置处设置矿压观测点，顶板下沉量通过顶板离层仪进行观测，两帮位移量通过十字交叉测点测量。施工后经约一个月时间的矿压观测，测点处围岩变形曲线见图3。从图中可以看出，测点Ⅱ处顶板下沉量最大值为19.6mm，两帮相对移近量为60mm；测点Ⅲ处顶板下沉量最大值为31 mm，两帮相对移近量为66.5 mm；测点Ⅳ处顶板下沉量最大值为22.3mm，两帮相对移近量为61.33mm。帮顶整体变形量较小，均在允许范围内，巷道支护效果良好。

图3 巷道测点变形曲线

6 结语

在穿过煤层石门施工过程中，根据顶板煤岩层的厚度，合理调整锚杆、锚索的长度和密度等参数，可以采用锚网索方式进行支护，一改传统的架棚支护，实现快速、高效、低成本掘进，并克服了传统架棚被动支护易失修、 维修成本高、影响安全生产等缺点，极大地减轻工人的劳动强度，与U 形钢可缩性拱形支架相比成本有了很大地降低，在同类型的巷道加固中具有很高的推广价值。

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