基于加长树脂类锚固的巷道支护优化

张 鑫

（同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司， 山西 朔州 036000）

1 麻家梁矿巷道概述

麻家梁煤矿整个矿井占地面积18 km2，年生产容量为90Mt，目前核准采掘的近距离煤层分别为2号和5号。其中，5号煤层属于实体煤类型，2号煤曾经遭受过私人采掘的破坏。5号煤层的煤厚范围1.17～1.72m，平均为1.3m。2号近距离煤层的煤厚范围1.5～2.2m，平均为1.7m。同时5号高于2号煤层13～20m。麻家梁运输巷道属于动压近距离下的煤层，整个走向长度为875m，沿着掘进方向的右侧属于麻家梁工作面，该工作面的切眼长约为150m，目前属于回采阶段，长度约为5m。

麻家梁某运输巷道目前的支护策略选用了“锚杆+钢棚”现支护方式采用“锚杆+金属网+工字钢棚”综合支护。棚的棚柱子与顶部梁都选用了10号矿用工字类型钢铁，顶部梁的长度为4m，棚柱子长度为10m，交叉角度为80°，棚柱窝的深度大于200mm，棚之间的距离约1.2m，当钢棚承受的压力较大时，棚间距压缩为约0.6m。盘帮、勾顶分别属于“三、五”“四、六”布置方式，支撑木的构件完整，整个钢棚的迎山角约为4°，确保了支护过程中整个棚的迎山可靠。顶部锚杆和两帮材质都选择螺纹钢，参数Φ20mm×2 200mm，顶部的锚杆每一排排列4根，每两根之间的距离约为1m，顶部的锚杆和两帮相距0.3m左右，对于两帮，每一排均布置3根，每两根之间的距离也为1m，两帮锚杆和顶板相距0.35m。每一根锚杆都配置有W型钢带，参数为350mm×220 mm×5mm，托盘选为方型的，参数为100mm×100 mm×6mm，锚固剂选用CK2360树脂。锚网之间每隔300mm之间连接一段绑丝，材质为双股且对折的15号铁丝，每一道铁丝均拧四圈，确保连接牢固。麻家梁运输巷道现由的支护示意图如图1所示。

图1 目前的麻家梁运输巷道支护示意图（单位：mm）

距离麻家梁某运输巷道进风口30m处对目前的锚杆支护进行了锚固耐力试验，尽管耐力值达到了施工要求，但存在预紧矩较低的问题，帮部、顶板的锚杆力矩都小于20N·m。同时，目前的采掘速率较低，需要的人工劳动量很大，对矿井的开采进度产生了一定的影响[3]。综上所述，有必要对麻家梁运输巷道进行支护策略优化，进一步降低支护成本。

2 围岩和地应力测试分析

常规的矿井地质测量包括对巷道围岩的结构勘测、围岩强度检测与地应力测试。经过上述的围岩和地应力测试获得麻家梁运输巷道的基本参数，从而建立巷道支护所需要的参数依据[4]。地质测量选择在麻家梁会风巷道中，测试地点定位到5号煤层的顶板位置。

2.1 围岩强度检测分析

麻家梁煤矿选用了WQCZ-56型号的围岩强度检测仪，对麻家梁回风巷道顶板进行钻孔，实现煤层深度约为10m范围内的测量，下页图2所示即为具体的测量结果，从图2得出如下结论：

1）泥岩分布范围为0～5m，该范围的围岩强度均值约为30MPa。

2）泥质砂岩范围为5～8.5m，该范围的围岩强度均值约为34.75MPa。

3）5号煤层的分布范围为8.5～10.0m，该煤层的围岩强度为12.5MPa，在对麻家梁运输巷道出风口的顶板也实施强度测量，测试结果为2号煤层的煤强度均值为16.6MPa。

图2 回风巷测站顶板煤岩体强度测试结果

4）8.4～10.0m为9号煤层，9号煤层强度平均值为12.60MPa。同时在麻家梁运输巷迎头顶板进行了煤体强度测试，经测试，10号和11号煤强度平均值为16.56MPa。

对煤层的围岩强度测量统计进行分析[5]，优化麻家梁运输巷道的支护策略具备了如下的参数依据：从麻家梁回风巷顶板围岩测量点测试数据能够得出，顶板围岩强度只有30MPa，该强度比较低，为了增加岩土的承载性能，借助优化锚杆材料来提高围岩的强度。比较2号和5号煤层的煤体强度能够得出，两个煤层的强度都很高，达到了16.7 MPa，同时顶板的支撑目前采用灰岩，两帮部的所受应力较小。

2.2 地应力测试和分析

针对麻家梁回风巷的地应力测试结果如下：所受主应力水平方向，最大值σh=9.47MPa，最小值σL=5.57MPa；应力垂直方向σv=5.53MPa。据此能够得出，该回风巷的测试范围内属于应力较低区。同时比较上述的测试数据，所受应力水平方向的最大、最小值都要大于垂直方向应力，即应力场分布为：σh＞σL＞σv。查找文献[2]得到：主应力的水平分量对巷道的顶、底板有较大的作用力，而主应力的垂直分量对巷道的两帮部有较强变形作用。由于主应力水平分量的最大值位于N30.4°W，所以测试范围的最大主应力属于NW方向。综上所述，地应力测试对本文锚杆支护优化建立了如下参数依据：

1）地应力的测试结果能够为2号煤层出现采空后，提供相关围岩的水平、垂直地应力基础参数；

2）判定了该麻家梁回风巷属于水平应力占据优势的情况，由于应力的水平分量能够较大的影响巷道顶、低板的变形程度，因此需要重点加强对巷道顶板与底板的支护研究[6]。

3 优化锚杆支护设计

目前的麻家梁运输巷道掘进断面约为11.8m2，属于矩形掘进面，掘进的高度为2.5m，宽度为4.3m。依据上述的巷道围岩强度、地应力测量结果，结合当前巷道支护后出现的变形程度以及工程实践经验，给出了如下的针对麻家梁运输巷道的“加长树脂锚固-锚杆”综合支护策略，并采用锚索进行补强[7]。

1）锚杆相关参数设计。两帮部与顶板的锚杆选用没有纵筋螺纹的钢筋，参数为：Φ22mm×2 000 mm，屈服韧性度要求为100 kN。对于托盘，选用了大小为150mm×150mm×8mm的带拱四方形托盘，同时配置尼龙材质垫圈和可调球垫。本文引入了树脂类的加长锚固，对于顶板的锚杆，选用两个规格为CK2340的树脂类药卷，锚杆之间的距离为950mm，排间距为900mm；对于两帮部的锚杆，选用了规格为Z2360的树脂类药卷,每个帮部的锚杆之间距离为1 100mm两排的间距为900mm，每个帮部的每排设置3根。要求锚杆的预紧力矩为300N·m，且不允许达到500N·m。

2）护板选型：材质为W钢护板，长×宽×厚=450mm×280mm×4mm，护板中间的圆孔尺寸为Φ50mm。

3）金属锚索网的网片尺寸：顶板设置为4 200 mm×1 200mm，两帮部的设置为2 500mm×1 000 mm，锚索网的孔径为30mm×30mm；网片选用15号铁丝进行双扣重复连接，确保网之间可靠组合。

4）锚索的参数设计。对于两帮和顶板支护的补强，选用了钢绞线作为锚索，要求预应力强度大且松弛度低，参数为Φ18mm，其中帮部锚索为Φ18 mm×4 500mm，顶板的锚索为Φ18mm×5 500mm，破断力的最大值为330 kN。锚索托盘配置为300 mm×300mm×15mm方形且带拱类型，附带有可调球垫，负载承受能力需高于400 kN。补强支护采用的锚杆选用树脂药卷类型，型号为Z2360。对于顶板的锚索布置方式为“三、二”形，排间距设置为2 000 mm，在锚索拉伸度确定后，顶板锚索的可承受预应力要高于300 kN；，对于帮部的锚索布置方式为“二、二”形，排间距设置为2 000mm，帮部锚索的可承受预应力要高150 kN。麻家梁运输巷道的优化支护图示，如下页图3。

4 基于FLAC3D的巷道支护数值模拟

4.1 建立等效模型

在验证本文提出的巷道支护改进策略时，引入了数值模拟软件，同时参照麻家梁运输巷道的围岩构造与强度、地质预应力等条件[8]，建立了基于加长树脂锚固-锚索补强支护的数模模型方案，该模型大小为260mm×100mm×30m，麻家梁运输巷道的煤层断面和支护模型如下图4。

图3 麻家梁运输巷道支护说明（图示尺寸为mm）

图4 麻家梁运输巷的煤层断面与支护缩小模型

4.2 巷道围岩受力和变形验证

（1）麻家梁运输巷围岩所受应力的水平和垂直分量如图5中5-1、5-2所示。从两图能够看出，巷道两帮部和顶板所受的预应力比较明显，顶板变形程度主要由水平应力变化引起，而两帮部的变形则由垂直应力变化引起[9]。

图6中6-1、6-2分别为顶板和帮部的程度，分析图6的变化量可以得知，巷道底板的底鼓程度为20mm，顶板下浮程度为65mm。由于顶板和煤层直接接触，掘进的推进过程必然会产生一定程度的破损，因此有效的锚杆支护显得非常重要，当锚杆延后程度过长，容易导致顶部煤层整体下沉，帮部的移近程度基本均衡，大约为300mm。

综上所述，通过FLAC3D模拟，验证了加长树脂类锚固和锚索增强型的联合支护方案能够改善巷道围岩的变形程度，在没有增加支护开支的前提下，实现了巷道安全和掘进效率加快的目的[10]。

5 结论

1）在对巷道围岩结构和变形程度、地质应力Fenix的基础上，确立了锚杆支护需要的参数依据和巷道布置的位置选择。

图5 麻家梁运输巷预应力分布图

图6 麻家梁运输巷顶、底板和两帮部移近程度

2）提出了加长树脂类锚固优化与锚索增强补充支护方案，设计了改进策略中顶板、帮部锚索的布置形式、排间距以及数量。

3）引入了FLAC3D进行了数值等效模拟，仿真结果表明该树脂类锚固与锚索增强补充支护对巷道围岩的变形改善作用明显，实现了井下安全开采的目的。