“三软”煤巷锚网支护技术研究与应用

关永龙 张建星

（郑州煤炭工业（集团）有限责任公司，河南 郑州 450000）

长期以来受“三软”煤层赋存条件影响，郑州矿区煤巷支护一直以被动支护为主。近年来随着矿井开采深度不断加大，巷道支护方式不仅从刚性金属支架升级为U型钢可缩性支架，而且U型钢型号也由25U逐步加大至36U。U型钢支架不仅投入费用高、运输量大、回收率低、职工劳动强度大，工作面回采期间巷道断面收缩严重，工作面端头超前扩修、替棚，严重制约了工作面的推进速度。为破解“三软”煤巷支护难题[1]，通过理论分析、数值模拟、现场工程实践的方法，探索了一条适应郑州矿区的锚网支护技术。

1 “三软”煤巷锚网支护理论分析

大量的试验表明，即使在软弱、松散、破碎的岩层中安装锚杆，也可以形成一个承载结构[2]。只要锚杆间距足够小，每根锚杆形成的压应力圆锥体将相互重叠，就能在岩体中产生一个均匀压缩带，可承受破坏区上部破碎岩石的载荷。加固拱内的岩体受径向和切向约束，处于三向应力状态，岩体承载能力得到提高。锚杆支护的作用是形成较大厚度和强度的加固拱，拱的厚度越大，越有利于围岩稳定。加固拱理论充分考虑了锚杆支护的整体作用，在软岩巷道中得到了较为广泛的应用，这一理论是郑州矿区“三软”煤层能够成功开展锚网支护技术的有力支撑。

2 数值模拟实验

2.1 数值模型建立

基于岩层控制的关键层理论和开采沉陷理论[3-4]，结合郑州矿区典型的地质采矿条件，利用离散元UDEC数值模拟软件建立数学模型，模型参数如下：模型尺寸为80m×80m，模型底边界为固定边界，左、右边界为位移边界，顶边界为应力边界，模型顶部施加5.5MPa垂直应力等效为上覆220m岩层的自重应力。分别模拟不同长度的锚杆、不同锚固长度、不同锚杆间距锚杆预应力场的分布特征。

2.2 数值模拟结果及分析

2.2.1 锚杆长度的确定

图1为巷道采用Ф20mm螺纹钢锚杆支护、半长锚固、预应力50kN条件下锚杆长度分别2.0m、2.5m、3.0m和3.5m时的单根锚杆预应力分布云图。颜色越深表明应力集中越明显，反之，应力集中越不明显（下同）。图1实验结果表明：

（1）在相同预应力水平下，随着锚杆长度增加，单根锚杆形成的预应力场范围在不断扩大，但形态更为狭长。当锚杆长度达到一定程度时，锚固范围内的中高预应力区会产生“缩颈”现象。

图1 不同锚杆长度下单根锚杆预应力分布云图

（2）从充分发挥锚杆预应力作用来看，锚杆长度取值在2.0～3.0m之间较为理想，考虑到井下巷道锚网支护施工便利，锚杆长度应不超过2.5m为宜，结合郑州矿区锚网支护工程实践取得的成功经验，郑州矿区煤巷顶板锚杆推荐长度为2.4m，帮锚杆推荐长度为2.0m。

2.2.2 锚杆锚固长度的确定

在工程实践中，端头锚固和加长锚固是两种较为常用的锚固方式，以Ф20mm螺纹钢锚杆为例，分析锚杆锚固长度对锚杆预应力场分布规律的影响。图2中锚杆长度3.0m、预应力50kN，锚杆锚固长度分别为0.6m、1.2m、1.5m和1.8m。

从图2中单根锚杆形成的预应力水平看：

（1）锚杆锚固长度0.6m时，预应力场最高应力水平0.07MPa，中高预应力区高度0.3m；当锚固长度达到1.2m时，预应力场外轮廓最大高度2.4m，最大宽度1.1m，锚杆的预应力水平0.1MPa。随着锚杆锚固长度继续加大，当锚杆锚固长度达到1.5m时，预应力场范围进一步缩小，虽然中高预应力区轮廓高度下降至1.5m，但该区域中上部宽度较为均匀，有利于发挥锚杆的群锚效应。而当锚杆锚固长度达到1.8m时，不仅预应力场范围继续减小，而且预应力水平整体下降约0.02MPa，首次出现预应力场范围、预应力水平双降现象。

图2 不同锚固长度下单根锚杆预应力分布云图

（2）结合郑州矿区锚网支护工程实践的成功经验，推荐每根锚杆使用2支2350型树脂锚固剂，理论锚固长度约1.4m。

2.2.3 锚杆支护密度的确定

图3为不同锚杆间距下锚杆预应力场分布云图，图中巷道顶锚杆长度3.0m，帮锚杆长度2.0m，锚杆锚固长度1.5m，预应力50kN。帮锚杆间距统一为0.9m，顶锚杆间距分别为0.6m、0.8m、1.1m和1.5m。

图3 不同锚杆间距下锚杆预应力分布云图

由图3中可见：当顶锚杆间距为0.6m时，巷道顶板单根锚杆的预应力场相互叠加形成明显的“群锚效应”，顶板锚杆预应力场平均厚度1.4m，该区域内预应力值保持在0.05～0.125MPa之间；当顶板锚杆间距0.8m时，顶板锚杆预应力平均厚度1.1m，该区域内的预应力值也降低了0.01MPa左右；当顶板锚杆间距1.1m时，顶板锚杆间的预应力场叠加效应十分孱弱，预应力条带作用不明显；当顶板锚杆间距达到1.5m时，巷道顶板锚杆间的“群锚效应”完全丧失。为保障锚杆预应力叠加区域厚度，合理的锚杆间距应在0.8m左右。

3 工程实践

3.1 工程概况

白坪煤矿22031工作面煤层厚度8.0～17.0m，平均煤厚9.0m，煤层倾角4～12°，平均倾角9°，巷道埋深259～353m，巷道主要施工层位为二1煤层及其下部底板，留底煤2m。22031工作面上付巷顶锚杆间排距为750×800mm，帮锚杆间排距为850×800mm，顶板锚杆选用Ф20×2400mm高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆（钢材牌号335），帮锚杆选用Ф20×2000mm高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆（钢材牌号335），锚杆托板规格为120×120×10mm鼓形托板（钢材牌号A3）。每根锚杆使用1支K2350树脂锚固剂（头部）和1支Z2350树脂锚固剂，并使用配套快速安装螺母和减摩垫圈，锚杆初始预紧力矩不低于200N·m。

3.2 现场实验结果及分析

22031上付巷每隔50m布置1个矿压观测站，共布置4个观测站，每个观测站观测内容包括巷道顶板离层、巷道表面位移[5]。

图4、5为3#、4#测站矿压观测结果。3#、4#测站受底板留煤影响，巷道顶底板下沉量相对较大，两帮移近量在巷道掘出后也迅速增加。实测结果显示巷道两帮最大移近量270mm，顶底板最大移近量190mm，浅基点最大位移量为120mm，深基点最大位移量110mm。

图4 3#测站巷道表面围岩位移、顶板离层变化曲线

图5 4#测站巷道表面围岩位移、顶板离层变化曲线

4 结语

（1）数值模拟结果表明，郑州矿区煤层锚网支护巷道理论锚杆长度2.0～3.0m，锚固长度1377.6mm，顶锚杆间距0.8m。

（2）22031上付巷从施工至回采未进行扩修和加强支护，该支护设计能够满足安全生产的要求。

（3）现场矿压观测结果表明，郑州矿区煤层采用锚网支护技术能够满足巷道支护要求，具备安全生产条件。