锚网索联合支护技术在煤矿回采巷道中的应用

翟 龙

（同煤集团同忻煤矿有限公司，山西 大同037003）

根据调查显示，我国煤矿的开采深度以每年平均20m的速度增加。随着开采深度的不断加大，围岩应力也急剧增大，这就为巷道掘进和支护工作带来了很多麻烦。目前，很多煤矿每掘进1m巷道的成本在1万元左右，如果支护效果不好需后期维修则成本还会增加。在煤炭行业日益低迷的今天，保证巷道支护质量，降低返修率已成为煤矿减少开支、保证效益的重要途径。

1 锚网索联合支护简介

锚网索联合支护包括锚杆、锚索、锚网及喷浆等支护技术，其中锚杆和锚索承担主要作用。在此对它们的支护机理和特点进行简要介绍。

图1 锚杆支护示意

1）锚杆支护的典型优势为能够快速、主动地对松软岩层进行支护（见图1），利用悬吊理论增强了围岩的稳定性。锚杆的锚固端固定于稳定岩层中，充分利用岩层自身的承载力。锚杆支护虽然没有提高围岩极限强度，但大大提高了围岩破坏之后的残余强度，而且使集中应力向深部转移〔1〕。

2）锚索为柔软索体，长度较大（一般为5～8m），且承载力较大，可达150kN以上。其主要起着悬吊和组合加固作用，该作用使巷道上部岩层的应力向煤帮及围岩深部转移，降低了巷道周边的应力分布。预紧力是锚索支护的一个重要参数，施加得当则组合作用明显，施加不够则只能发挥锚索的悬吊作用〔2〕。

随着目前巷道掘进和支护工作中机械化水平的提高，目前锚网索联合支护基本达到了全程机械化水平，所以施工速度快，质量较高，已被广泛应用于煤矿的巷道支护工作中。

2 工程概况

同忻煤矿隶属于山西省大同煤矿集团有限公司，位于大同市西南方向20km处。该矿于2009年投产，年生产能力超过10Mt，是一座大型现代化矿井。同忻煤矿81012工作面煤层开采厚度为5.6m，采用放顶煤开采工艺。该工作面运输和回风顺槽沿煤层顶板布置，设计巷道断面形式为矩形，净宽为5300mm，净高为3600mm。本项目需要对这两条回采巷道的支护形式和参数进行最优设计。

3 锚网索联合支护在回采巷道中的应用

同忻煤矿81012工作面的直接顶为1.6m厚的泥质灰岩，岩性较软，且在巷道掘进时出现了不同程度的破碎情况。煤层呈近水平赋存，顶板压力不大。综合考虑地质条件，再结合巷道掘进应充分满足煤矿工作面正常接替的需要和各种支护形式的优缺点，最终确定该工作面回采巷道采用锚网索联合支护形式。

3.1 支护参数的确定

（1）锚杆杆体参数的确定

本项目巷道锚杆杆体采用直径为22mm的左旋无纵筋螺纹钢制作；拱形高强度正方形托盘，具体参数为150 mm×150mm×10mm（见图2）。锚固方式为树脂端部锚固，锚固长度按照一般设计为30mm，所以每根锚杆需两个树脂药卷。锚杆长度是杆体的最重要参数，长度太小，则不能发挥锚杆的支护作用；杆体太长，会造成支护材料的浪费，成本会增加，且杆体抗剪切能力会减弱。其中顶锚杆的计算公式〔3〕。

式中：l1为锚固段的长度，取值30mm；l2为直接顶厚度，取值1600mm；l3为托盘、螺母及外露长度，取值40mm；k为安全系数，在此取值1.5。

经计算得出该项目巷道顶板支护所需锚杆长度为2500mm。为施工方便，且结合其它工程经验，巷道两帮锚杆长度一般小于顶板锚杆长度，在此确定顶板和两帮都采用2500mm长度的锚杆。

（2）锚杆布置参数的确定

锚杆间排距是保证锚杆支护效果的重要参数，也是影响支护成本的主要指标。由于顶板和两帮需要的支护力不同，这就造成两个位置的锚杆间排距也会不同。在此分别利用公式（2）和（3）估算顶板锚杆和两帮锚杆的间排距〔4〕。

式中：Q为锚杆的锚固力，取值50kN；H为冒落顶高度；r为直接顶岩石容重；K为安全系数；b为锚杆排距，取值1000mm；δ为煤帮需要的最大支护力。

经过计算得出同忻矿该工作面两巷顶板锚杆间排距为800mm；两帮锚杆间距为1000mm。此外为保证顶板两个角位置的稳定，将靠近两帮的两排顶板锚杆与水平线呈70°分布。

图2 左旋无纵筋螺纹钢锚杆

（3）锚索参数的确定

锚索索体的选择是单根钢绞线，直径为18mm，只布置在顶板中。锚索的长度根据经验选择8000mm，经过实践证明该长度完全满足实际需要。金属托盘规格为300 mm×300mm×20mm。锚索间排距的确定是发挥锚索作用的重要参数，一般按照等间距布置。在此按照公式（4）进行理论计算〔5〕。

式中：r为顶板岩石容重；h为载荷体高度，即直接顶高度；b为巷道宽度；α为煤层倾角，在此取0°；Q为一根锚索的预紧力，取值100kN。

经计算得出同忻矿该工作面两巷锚索间排距为2700 mm，即顶板上每排布置三根锚索，靠近两帮的锚索与水平角呈75°布置，锚索锚固端长度设置为45mm。

综上所述，最终确定出同忻矿81012工作面回采巷道支护参数，布置见图3（虚线代表锚索）。另外，为防止碎矸和裂隙等造成的安全隐患，保证支护质量，又对巷道进行挂网处理，在岩石破碎带加入喷浆作业，有效保证了巷道的支护质量〔6〕。

图3 81012工作面回采巷道支护布置示意

3.2 支护参数的评价

在支护设计完成后，应用Flac3D数值模拟技术对该支护方案进行评价。最终的模拟见图4、图5。在图4中可以看出：巷道的垂直应力主要分布于两帮位置，水平应力主要分布在巷道顶板中；从图5中看出垂直位移最大的位置在顶板，最大水平位移在巷道靠近采空区一侧的煤帮中。在该方案的支护下，巷道围岩位移量很小。在施工完成28d后对巷道围岩进行测量，两帮移近量为30～50 mm；顶底板移近量约为100mm，完全满足实际使用。

4 结语

图4 巷道垂直应力（左）和水平应力分布

图5 巷道垂直位移（左）和水平位移分布

锚网索联合支护技术具有施工速度快、机械化程度高、支护效果好等突出优点，已经成为煤矿各类巷道的主要支护方式。同忻煤矿81012工作面回采巷道通过应用该技术后，巷道掘进速度完全满足采掘比的要求，支护质量较好，几乎不需要后期维护，大大节省了后续工作量，取得了较好的经济效益。

〔1〕李 伟，白光超.锚网索联合支护在大断面托顶煤切眼中的应用〔J〕.煤炭科学技术，2010，02（25）：35－36.

〔2〕秦广鹏，蒋金泉.大变形软岩顶底板煤巷锚网索联合支护研究〔J〕.采矿与安全工程学报，2012，03（15）：66－68.

〔3〕李书民，孙小岩.深部回采巷道锚网索联合支护技术实践〔J〕.煤炭科学技术，2012，01（12）：25－26.

〔4〕侯运炳，高振亮.屯兰矿软岩巷道锚网索联合支护技术研究〔J〕.中国矿业，2014，11（15）：21－22.

〔5〕唐建新，邓月华.锚网索联合支护沿空留巷顶板离层分析〔J〕.煤炭学报，2010，11（15）：46－47.

〔6〕陈 杨.焦家寨矿全煤巷道锚网索联合支护技术研究〔D〕.北京：煤炭科学研究总院，2014.