复杂地质条件下回采巷道锚网索支护参数优化研究与应用

康虹等

摘 要：针对赵家坝煤矿回采巷道在开掘过程中，围岩应力分布复杂，煤层、岩层的层理和节理较发育，并且松软破碎，施工不久，巷道发生严重变形、巷帮位移量大，底板底鼓严重等问题，采用了锚网加W钢带支护加固原理和锚索支护补强原理后，提出了锚网索加W钢带联合支护设计方案。

关键词：巷道支护；锚网索支护；支护参数；W钢带

中图分类号：TD353+.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.084

赵家坝煤矿的矿井地质构成比较复杂，煤层和围岩松软，受急倾斜地质构造的影响，开采煤层倾角大，采动应力场相互叠加，回采巷道围岩应力分布复杂，围岩遇水膨胀，巷道顶板很容易发生冒落，两帮片落鼓折，这些都会严重影响矿井的生产安全。为了选择合适的改进支护技术改善巷道维护状况，结合赵家坝煤矿回采巷道煤岩层地质特征，优化了回采巷道锚网索支护参数，并根据新的支护方案在该矿东六采区9#煤层回采巷道进行了工业试验。

1 巷道基本情况

9#煤层回采巷道煤层平均倾角约为64°，煤层平均厚度1.17 m。伪顶为炭质泥岩，厚0.28 m；直接顶为泥质粉砂岩，厚1.85 m；老顶为粉砂岩，厚39.3 m。直接底为灰色薄层状泥质粉砂岩含煤线，厚1.66 m，距9#煤层底板1.6 m（真厚）的是10#煤层。巷道顺煤层布置，巷道净宽3.8 m，净高2.7 m，采用锚网支护。

2 回采巷道锚杆支护现状评价

自赵家坝煤矿回采巷道采用锚杆支护替代架棚支护以来，支护效果明显改善。但是，随着矿井开采强度的增大和受煤岩层本身地质特征的影响，锚杆支护不能有效发挥其作用。通过分析回采巷道的数值，在现有支护下，巷道围岩垂直应力明显增加，顶板、底板和两帮低应力范围缩小。虽然现有支护提高了巷道周边围岩的应力，加固了周边大范围的围岩，但是，巷道周边围岩松散破碎，不能很好地加固浅部岩层，因而达不到形成整体承载结构的效果。

3 支护设计优化

锚杆支护形式的设计关乎巷道锚杆支护效果。此次支护设计是通过数值计算的，分析巷道在不同支护状态下变形破坏的基本特征。根据松动圈测试和数值模拟分析结果，决定采用“锚索+锚杆（与强力W钢带配合）+金属网”联合支护的方式。锚索在围岩中形成“外承载圈”，起到悬吊的作用，锚杆配合强力W钢带、网和高强度托板，将分散的多根锚杆连接成一个承载整体，形成“内支护圈（内承载结构）”，承担“外支护圈之内围岩压力”。

3.1 锚杆支护参数

3.1.1 锚杆长度

锚杆长度的计算公式为：

L=N（1.5+W/10）. （1）

式（1）中：L为锚杆长度，m；N为围岩稳定性系数，取1.1；W为巷道掘进宽，m，掘进宽度按照3.8 m计算。

将相关数值代入式（1）中得：L=1.1×（1.5+3.8÷10）=2.068 m。

结合现场应用的实际情况，确定锚杆长度L=2.2 m。

3.1.2 锚杆直径

据经验公式可得：

d=L/110. （2）

在式（2）中，L为锚杆长度，取2.2 m，则d=2 200/110=20 mm。

使用Φ22 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆直径与钻孔直径的合理匹配是它们的直径之差，即6～12 mm，最佳差为7～8 mm，所以，使用Φ28 mm的钻头打设锚杆钻孔。

3.1.3 锚杆间排距

锚杆间排距计算公式为：

M≤0.9/N. （3）

式（3）中：N为围岩影响系数，取1.1.

将相关数值代入式（3）中可得：M=0.9÷1.1=0.818 m。在完成相关计算时，选取M=0.80 m，即锚杆间距和排距分别为0.80 m。

3.2 锚索支护主要参数计算

3.2.1 锚索材料

参考广旺矿区资料和相关文献，锚索材料一般使用高强度、低松弛黏结式1×7钢绞线，直径为15.24 mm。锚固力>200 kN，预拉力为130 kN。

3.2.2 锚索锚固长度

按照GBJ 86—85的要求，锚索锚固长度La应满足式（4），即：

La≥k（dfi/4fe）. （4）

式（4）中：k为安全系数，取1.3；d为钢绞线直径，取15.24 mm；fi为钢绞线抗拉强度，取1 860 N/mm2；fe为锚索与锚固剂设计黏结强度，当树脂作锚固剂时，取5.0 N/mm2。

将相关数值代入式（4）中可，经计算得：La≥1 843 mm。根据实际情况确定锚固长度为2 100 mm，锚索采用6只K2335树脂锚固剂端头锚固。

3.2.3 锚索长度

锚索长度的计算公式为：

L=La+Lb+Lc+Ld. （5）

式（5）中：L为锚索总长度，m；La为锚索深入比较稳定岩层的锚固长度，取2.1 m；Lb为需悬吊的不稳定岩层总厚度，根据煤岩层综合柱状图，其取5.6 m；Lc为上托梁和锚具的长度，不小于0.1 m，取0.15 m；Ld为需要外露的张拉长度，不小于0.2 m，取0.25 m。

因为安全系数取1.05～1.1，所以，锚索长度为8.51～8.91 m。根据施工现场的实际情况，确定锚索长度为9.0 m。

3.2.4 锚索间排距

依据锚索预紧力和赵家坝煤矿半煤岩巷煤岩层的实际情况，每间隔两排锚杆布置6根锚索。

3.2.5 锚索支护时间

如果过早施工，锚索巷道围岩的变形会拉断钢绞线；如果过晚施工，则会导致锚索锚杆锚固段与锚索锚固段岩层分离。一般情况下，可以根据巷道实际施工进度，紧跟掘进工作面施工锚杆，滞后10 m左右施工锚索。

4 确定支护方案

通过分析急倾斜松软煤层破碎围岩动压巷道的破坏特点、支护对策，考虑到现场实测松动圈的厚度，对巷道采用全断面锚网（与W钢带配合）加锚索联合支护，即先对巷道顶板和两帮进行全断面锚网支护，然后每间隔3 200 mm，在巷道拱顶和两帮锚杆空隙处分别施工锚索。巷道每个断面布置6根锚索打在锚杆空挡中间，端头锚固采用6支树脂药卷（K2335共6支），端头锚固长度为2 100 mm，外露长度不超过300 mm，锚索托盘规格为400 mm×90 mm×76 mm的高强度十字钢托梁和配套锁具。

5 结论

对于复杂条件下的半煤巷锚杆支护，依据围岩强度耦合支护原理，以高强锚杆实现强度匹配。针对复杂地质条件回采巷道变形破坏的特点，使用了较高强度的W钢带配合金属网支护。同时，在局部地区的薄弱处，合理增加了锚索支护，以增强围岩表面的约束力。

通过优化巷道支护参数，赵家坝煤矿急倾斜煤层重复采动软岩巷道支护更加合理，明显改善了巷道维护状况，有效控制了围岩位移。

参考文献

[1]钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制[M].北京：煤炭工业出版社，1991.

[2]侯朝炯，郭励生.煤巷锚杆支护[M].北京：中国矿业大学出版社，1999.

〔编辑：白洁〕