煤矿运输巷锚杆锚索联合支护技术的设计与应用

王晓波

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治046000）

引言

煤矿开采时巷道施工是必不可少的环节[1-2]，巷道围岩的稳定性对煤矿安全有决定性的影响[3-4]。巷道支护是确保煤矿安全的重要措施。锚杆锚索联合支护在巷道支护方案中非常常见，能够起到很好的应用效果[5-6]。本文以某煤矿运输巷为例，对其锚杆锚索联合支护技术方案进行了系统全面的设计和研究，并将其应用到工程实践中。

1 工程概况

某煤矿设计的年生产能力为50万t，目前正在开采的工作面，其煤层厚度在0.53～2.63 m范围内，厚度平均值约为1.5 m。煤层厚度变化范围相对较窄，属于比较稳定的煤层。另外，煤层内部不包含有夹矸，结构也很简单，可采指数为1，即全部都可以开采，变异系数约为20%左右。煤层直接顶主要由泥岩构成，其厚度在1.9～2.9 m范围内，平均厚度大小为2.5 m，存在一定的缝隙，赋存不是非常稳定。老顶主要由细砂岩和泥岩共同构成，其厚度范围分别为1.8～3.2 m和0.34～0.63 m，平均厚度分别约为2.5 m和0.4 m，整体上呈现出条状分布，有离层的风险。直接底主要由粉砂岩和泥岩构成，其厚度分别为1.89～3.53 m和2.19～4.38 m，平均厚度分别为2.9 m和3.12 m，存在裂隙发育。老底主要由细砂岩、粉砂岩和泥岩构成，厚度平均值分别为2.3 m、4.6 m和2.5 m。本文主要对该工作面的运输巷道支护方案进行分析和研究，该运输巷截面为矩形，巷道的高度和宽度分别为3.2 m和5.0 m。

2 巷道锚杆锚索联合支护技术方案设计

2.1 锚杆参数设计

在巷道顶部和帮部位置都需要用锚杆进行支护，其中顶部区域使用的锚杆属于左旋无纵筋高强螺纹钢，其直径和长度分别为22 mm和2.8 m。锚杆之间的间距设置为0.75 m，两排锚杆之间的距离同样设置为0.75 m。此外还需要配合使用菱形金属网以及钢带梁进行联合支护，其中使用的钢带梁为M5钢带，其长度为5 m，金属网的长度和宽度分别为5.0 m和0.9 m。在安装过程中需要对金属网和钢带梁进行搭接，要求搭接宽度不得小于100 mm，搭接时需要利用钢丝对其进行牢固捆扎。帮部位置使用的锚杆属于右旋高强度全螺纹钢，其直径和长度分别为22 mm和2.5 m，两根锚杆之间的距离设置为0.7 m，两排锚杆之间的距离设置为0.75 m。同样需要配合使用菱形金属网和钢带梁进行联合支护，其中使用的钢带梁长度为3.2 m，菱形金属网的长度和宽度分别为3.2m和0.9m。金属网和钢带梁在搭接时的要求与顶板位置一样。

锚杆在安装时，需要使用树脂型锚固剂，数量为两卷，型号为Z2850。顶板位置两边与帮部区域临近的两根锚杆，分别与顶板呈30°角向外进行安装，其余中间位置的锚杆全部与顶板保持垂直安装。帮部位置靠上侧的三根锚杆在安装时与帮部平面呈30°角向上进行安装，与巷道底板相邻的两根猫杆在安装时与帮部平面呈5°角向下进行安装。要求顶部位置和帮部位置锚杆的扭矩大小分别为200 N·m和100 N·m，抗拉拔力大小分别为120 kN和60 kN。

2.2 锚索参数设计

在设计的支护方案中，顶部位置和帮部位置全部使用了锚索，且使用的型号、规格全部相同，均为高强度钢绞绳锚索，具体型号为SKP22-1/1860型，其直径和长度分别为22 mm和6.3 m。顶板锚索之间的距离设置为1 m，两排锚索之间的距离设置为1.5 m，采用的是“3-4-3-4”的布置形式，即其中一排设置有3根锚索，临近一排设置有4根锚索。在帮部两侧距离顶板1.1 m的位置分别设置1根锚索，排距设置为1.5 m。为进一步提升锚索的支护效果，两排锚索之间还需要使用18号槽钢进行固定连接。

锚索安装时，需要使用树脂型锚固剂，数量为三卷，具体型号为Z2850型。帮部两侧锚索全部与帮部平面保持30°角向上进行安装。顶板位置与帮部临近的两根锚索在安装时与顶板平面保持30°角向外进行安装，处于中间位置的锚索全部与顶板平面保持垂直安装。安装时锚索的预紧力全部设置为150 kN。

3 巷道锚杆锚索联合支护方案的工业实践应用

3.1 实践过程监测方案设计

为了对本文设计的煤矿运输巷锚杆锚索联合支护技术方案的有效性和可靠性进行分析鉴定，将该支护方案应用到工业实践中，并对巷道的表面位移变化情况、锚杆锚索载荷情况以及巷道深部位置的位移变化情况进行连续监测。在实践中随机选择一个监测站进行监测。

1）巷道表面位移。对巷道表面位移变化情况进行监测时，采用的是“十字布点法”，具体如图1所示。在矩形巷道4个表面的中间位置选择4个点，分别为A、B、C、D，其中AB和CD交于点O。具体监测时只需要对AO、BO、CO、DO四个距离进行测量，即可推算得到巷道表面的位移变化情况。

图1 巷道表面位移变化情况监测方案示意图

2）锚杆锚索载荷。可以利用锚杆测力计对锚杆和锚索的受力情况进行检测。检测时需要对监测站截面位置所有的锚杆和锚索进行载荷测定，然后对所有锚杆的检测结果取平均值作为锚杆载荷大小，对所有锚索的检测结果取平均值作为锚索的载荷大小。

3）顶板深部位置位移。监测点设置在图1中的C点，即顶板中间位置。用到的仪器设备为多点位移计。首先需要在对应位置进行打孔，然后基于多点位移计可以测量得到不同深度位置的围岩位移变化情况。本研究中主要测量了深度分别为1 m、3 m和6 m位置的位移变化情况。

3.2 实践应用监测结果分析

1）巷道表面位移。如图2所示为巷道表面的位移变化情况。从图中可以看出，在刚开始阶段，不管是顶底板位移还是两帮位移均出现了快速增加的趋势。直到与掘进迎头距离在32 m左右时，顶底板和两帮位移变化才基本趋于稳定。稳定状态下顶底板和两帮的最大位移变形分别为46 mm和58 mm左右。在连续观测时间范围内，顶底板和两帮的位移变形速率分别为2.89 mm/d和3.62 mm/d。可以看出不管是位移变形速率还是最终的位移变形总量，均在可以接受的范围内。

图2 巷道表面位移变化情况

2）锚杆锚索载荷。如图3所示为锚杆和锚索载荷的演变曲线。从图中可以看出，在刚开始阶段，锚杆和锚索的载荷均出现了快速的增加趋势，随着与掘进迎头之间距离的不断增大，载荷增加趋势逐渐减缓，最终保持稳定。稳定状态下锚杆和锚索的载荷大小分别为88 kN和146 kN左右。可以看出锚杆和锚索的载荷均在对应材料的允许范围内，不会对锚杆和锚索的使用构成威胁。

图3 锚杆锚索载荷的变化情况

3）顶板深部位置位移。如下页图4所示为顶板深部位置位移的变化情况。从图中可以看出，在刚开始阶段顶板深部不同位置的位移变形情况变化比较迅速，最后基本保持稳定。与顶板位置越远，则位移变化情况越小，稳定状态下与顶板距离为1 m、3 m和6 m位置的最大位移分别为30 mm、6 mm和1 mm左右。

图4 顶板深部位置位移的变化情况

4 结论

基于上述运输巷相关参数监测结果可知，本文设计的锚杆锚索联合支护技术方案取得了较好的应用效果，显著提升了巷道围岩的稳定性。巷道表面位移变化情况、锚杆锚索载荷和顶板深部不同位置的位移均控制在合理范围内，不会对巷道安全构成威胁。