麦捷煤业150505 轨道顺槽锚网支护设计

胡 东

（山西寿阳潞阳麦捷煤业有限公司，山西 晋中 030600）

0 引 言

相较于其他巷道，工作面巷道的断面比较小，服务年限比较短；但同时工作面巷道受采动影响严重，容易发生变形。150505 工作面处于井田新区东部，据现有三维勘探资料显示，该工作面可能遇到断层、陷落柱较多，故对巷道的支护设计与工程质量要求相对较高[1]。为保证轨道顺槽的支护设计和施工质量满足要求，保证矿井的安全生产，并为今后的巷道布置、支护设计等提供基础参数，通过进行研究和试验，以解决轨道顺槽的支护问题。对麦捷煤业轨道顺槽锚网支护设计，保证巷道安全。

1 150505 轨道顺槽地质条件概况

1.1 煤层赋存情况

根据麦4、麦6 勘探钻孔及煤层厚度变化趋势图分析，150505 轨道顺槽所在区域煤层含0～1 层夹矸，K2 灰岩为其直接顶板。上距12 号煤27.08～44.60 m，平均36.29 m，煤层纯煤厚度4.85～6 m 之间，平均5.42 m。顶板为泥岩、石灰岩，底板为泥岩、砂质泥岩。

15 号煤层顶板多为K2 灰岩和砂质泥岩、泥岩。石灰岩抗压强度19.5 MPa，抗拉强度0.87 MPa，抗剪强度1.67 MPa；泥岩抗压强度19.5 MPa，砂质泥岩抗压强度11.3 MPa，抗拉强度0.31 MPa，灰岩顶板岩石较坚硬稳定。泥岩和砂质泥岩顶板岩石较松软不稳定；底板为泥岩、砂质泥岩，砂质泥岩抗压强度7.5 MPa，泥岩抗压强度14.1 MPa，抗拉强度0.58 MPa，抗剪强度1.61 MPa；泥岩、砂质泥岩和炭质泥岩底板不稳定，易发生底鼓不良地质灾害。

1.2 150505 工作面轨道顺槽地质构造

根据现有三维勘探资料，轨道顺槽自北向南单斜构造区域；巷道最高点预测标高935 m，最低点预测标高为900 m，最高点和最低点高差35 m。

150505 轨顺掘进至190～250 m 范围内可能遇到XL3 陷落柱（长轴：EW，420 m；短轴：254 m），但根据150503 皮顺打钻探测陷落柱结果推测，巷道遇陷落柱情况为3 号向斜南翼和2 号背斜北翼煤层起伏所致。

150505 轨顺掘进至565～590 m 范围内可能遇MF15 正断层（∠65° ～75°，H：0～8 m）；掘进至750～770 m 范围内可能遇MF38 正断层（∠70°，H < 5 m）；掘进至1 184～1 200 m 范围内可能遇MF40 正断层（∠60°～70°，H<5 m）。

根据三维地震勘探结果显示，150505 轨顺掘进位于2 号背斜北面，460～470 m 范围内可能遇7 号向斜。

为了确保巷道安全掘进，必须提前对巷道可能遇到的异常区进行打钻探测，并严格执行超前探规定。掘进过程中，注意加强顶板和煤墙的管理，严格执行“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”方针以及保护煤柱不小于30 m 的原则，进行超前探测出现异常情况时及时向地测部、生产部等相关部门进行汇报，提前制定相应安全技术措施。

1.3 150505 工作面轨道顺槽水文地质情况

根据地质资料和周边矿井调查分析，本区内上覆煤层均未开采，但邻矿上社二景煤业15105 采空区（2018.9-2018.12）已采空，但对150505 轨顺掘进无影响。根据瞬变电磁勘探情况分析，巷道掘进过程中不会受上部灰岩裂隙水影响，但可能受K7 砂岩和K8 砂岩裂隙水影响。现对巷道可能遇构造导水、上部裂隙水影响和邻矿采空区积水影响。

150505 轨顺掘进可能遇MF15 正断层（弧状断层，分析为XL3 陷落柱的伴生断裂）、MF38 正断层和MF40 正断层均不含水。巷道190～250 m 范围内可能遇XL3 陷落柱（边界可能受K7-47 中等赋水区影响，含水主要集中在8、9 号煤层附近，并且没有连通各含水层）；XL5 陷落柱（整体含水，48 号含水异常区将陷落柱包含，陷落柱连通奥陶系灰岩以上各含水层）距巷道约40 m，已在150503 皮顺进行打钻探测，无赋水异常。

巷道掘进至400 ～550 m 范围内上部赋存K7-47 中等赋水区（17 661 m3）；847～1 201 m 范围内上部赋存K8-48 （距15 号煤层约137 m，68 277 m3） 和K7-48 强富水区（距15 号煤层约112 m，38 293 m3）；1 149～1 201 m 范围内K2-48弱赋水区（15 835 m3）。

经周边矿井调查结果显示，上社二景煤业临近矿界200 m 范围内上部煤层未采掘，不涉及上部采空区突水威胁；但150505 轨顺末端邻矿上社二景煤业15105 采空区（2011.7-2011.11）已采空，但该采空区北高南低，经调查，该采空区积水（950 m3，1 100 m3），对150505 轨顺掘进无透水威胁，可根据实际情况按照“三线”管理进行打钻探放该采空区积水。综合分析，该矿采空区积水对150505 工作面采掘活动影响不大。

2 锚杆支护设计分析

2.1 锚杆支护参数选取

图1 给出了锚杆不同预应力时锚杆的应力分布。由此可以发现，在高预应力的作用下，锚杆周围会形成一个较大的附加应力场，从而使顶板形成一个整体，发挥锚杆的主动支护作用[2-3]。

图2 给出了锚杆长度对锚杆周围应力分布的影响。由此可以发现，在锚杆长度较大时，锚杆周围的有效压应力区域范围增加，但是锚杆中部的压应力会减小。也就是说，在锚杆长度增加时，预应力对锚杆支护的作用减弱。因此，可以提高锚杆的预应力来减少锚杆的长度。

图1 不同锚杆预应力形成的附加应力场分布

图2 不同锚杆长度时锚杆的应力分布图

图3 不同支护密度下锚杆的支护附加应力场

图3 给出了支护密度对锚杆应力分布的影响。由此可以发现，在预应力一定时，单根锚杆周围会形成锥形应力分布区域。在锚杆的间距缩小时，这些锥形应力分布区域会出现相互靠近甚至重叠的现象。当间距缩小到一定程度时，支护密度对支护效果影响会减弱。

顶板两角锚杆的角度对锚杆周围的应力分布有一定的影响。随着角度的增加，有效压应力区域中部锚杆的有效应力区出现了分离，应力叠加的区域明显减小，这有助于锚杆的稳定。经过相关模拟，顶板锚杆的角度最大不超过20°。

2.2 轨道顺槽锚网支护设计

经过数值模拟计算，确定轨道顺槽采用树脂加长锚固高强锚杆锚索组合支护系统。断面形状为矩形，断面规格为掘宽×掘高=4 500 mm×3 300 mm，S掘=14.85 m2。

2.2.1 顶板支护

锚杆等间距布置，每排5 根，间距1 000 mm，排距为1 000 mm。顶角锚杆外斜20°打设，分距巷帮250 mm，其余锚杆全部垂直顶部打设。每根锚杆采用1 支MSCKa2335 和1 支MSZ2360 型锚固剂锚固。要求锚杆锚固力不低于127 kN。

锚索等间距布置，布置形式为“小三花”（2-1-2），间距2 400 mm，排距为1 000 mm。打设在2 排锚杆中间。每根锚索采用1 支MSCKa2335 和2支MSZ2360 型锚固剂锚固。锚索要求超张拉至150 kN 以上，损失后预紧力不低于120 kN。

梯子梁使用φ16 mm 圆钢加工的单筋梯子梁。网片采用对接方式，联网间距100 mm，用16 号铅丝联接，双丝双扣，孔孔相联，扭结不少于3 圈。

2.2.2 补强支护

对150505 轨道顺槽联络巷开口位置，与15 号南轨交叉点处前后5 m 范围内补打锚索进行加强支护。巷道支护断面如图4 所示。

图4 150505 轨道顺槽支护断面图

2.2.3 两帮支护

锚杆等间距布置，每排每帮3 根，间距为1 200 mm，排距为1 000 mm。中间锚杆全部水平布置，帮顶角锚杆上斜10°、底角锚杆下斜10°布置，距顶板300 mm、距底板600 mm。每根锚杆采用1 支MSCKa2335 和1 支MSZ2360 型锚固剂锚固。要求锚杆锚固力不低于100 kN。梯子梁使用φ14 mm 圆钢加工的单筋梯子梁。网片采用对接方式，联网间距100 mm，用16 号铅丝联接，双丝双扣，孔孔相联，扭结不少于3 圈。

3 井下施工工艺和安全措施

井下施工是该项目的关键部分，必须按照设计要求，保证施工质量。

3.1 施工机具

轨道顺槽所需施工机具见表1 所列。顶板采用MQT120 型单体风动锚杆机钻装锚杆，配套钻杆为B22 型中空钎杆，钻头为28 mm 双翼钻头；用帮锚杆机钻装帮锚杆。

表1 巷道施工所需机具

准备好试验所需的一切材料、机具和矿压观测仪器，并保证质量。对施工队伍进行技术培训，使其了解试验目的，施工工艺和要求，掌握有关机具的操作，以便在井下施工中保证质量。

3.2 施工工艺和技术要求

3.2.1 施工工艺过程

延伸皮带→掘进机割煤→出煤→敲帮问顶→临时支护→永久支护→验收→下一循环。

1）延伸皮带：将胶带输送机开空后，将胶带输送机停电闭锁，然后松开涨紧导链，利用掘进机拉皮带机尾至设定位置后，延伸皮带，利用导链涨紧皮带。

2）割煤（出煤）运料：根据巷道设计尺寸进行割煤，人工配合掘进机尽快出煤。在这个过程中，应该同时运输巷道支护所需的材料。

3）敲帮问顶：在巷道断面成型时，表面可能存在一些活矸，这会对工人的安全产生威胁，需要有经验丰富的工人将其敲掉，在敲掉后方可继续进行作业。

4）临时支护：跟班队干、班长、安全员全面检查工作面支护情况、瓦检员检查瓦斯情况，在确认无问题后按规定架设临时支护。

5）永久支护：利用帮下部留煤作为打顶锚杆的平台，用2 台钻机打设顶板锚杆（索）和巷帮顶角锚杆，先标定锚杆（索）位置，然后打设中部顶锚杆，再依次向两帮打设，顶锚杆打设完毕后立即打设锚索。顶帮锚杆可平行作业，帮下部一根锚杆可滞后工作面4 排。

6）验收员验收合格后进入下一个循环。

3.2.2 技术要求

安装锚杆施工工艺：①联网，将顶网与原前一排顶网按规定搭接、孔孔相联；②标眼位，绑上梯子梁后，根据设计位置利用激光中线使用卷尺对好梯子梁，在梯子梁限位孔内进行打眼；③打眼，工人应该用手扶住处于直立状态的锚杆机护手，并将长度为1.2 m 的钻杆放入到钻机的夹具中，与此同时，钻机工人应该抓住T 型把手，直至钻杆到达制定的位置，开动钻机进行钻孔作业，在钻孔作业时，应该打开水管控制按钮。在钻入深度较浅时，应该控制钻进速度，使钻杆平稳地进入。待钻杆进入到一半左右，应该增加扭矩，增加钻进速度。第1 根钻杆钻完之后，应该调小出水量，安装第2 根钻杆，2 根钻杆进入后，钻孔深度应该控制在2 260±30 mm；④安装锚杆，在安装之前，应该将钻孔内的岩石粉末清理干净，并要检查钻孔的位置、深度以及间距是否符合设计的要求，若存在不符合要求的地方，则应该采取相应的补救措施，一般情况下，需要重新钻孔。待检查完成后，将锚固剂串在锚杆上，塞入到钻孔内，这里，先装1 支MSCK2335，再装1 支MSZ2360 送至孔底。上好锚杆后需要安装托盘和螺母，并将锚杆搅拌30s 以上；⑤紧固锚杆：等待1 min，使用风动锚杆预紧扳手或机械式扭矩倍增器，逐一对顶锚杆施加预紧力至300 N·m。

安装锚索施工工艺：①钻孔，竖起钻机，观察顶板围岩状况，调整后钻机的转态后开始钻孔。在钻孔时，辅助人员应该扶稳钻机，使钻机的钻头停留至设计的钻孔位置，与此同时，钻机操作人员可以打开钻机的排水口，应该保持一个较为稳定的状态。钻入深度较浅时，应该控制钻进速度，使钻杆平稳地进入。待钻杆进入到一半左右，应该增加扭矩，增加钻进速度。第1 根钻杆钻完之后，应该调小出水量，安装第2 根、第3 根…钻杆，最终钻孔深度达到7 950 mm（5 950 mm）±100 mm；②安装锚索，在安装之前，应该将钻孔内的岩石粉末清理干净，并要检查钻孔的位置、深度以及间距是否符合设计的要求，若存在不符合要求的地方，则应该采取相应的补救措施，一般情况下，需要重新钻孔。按序将3 根树脂锚固剂装入钻孔（先装1 支MSCK2335，再装2 支MSZ2360），在锚索的在外裸露长度低于800 mm 时，应该立即将锚索与钻机连接起来，将锚索送入到底部后搅拌30～40 s；③张拉锚索，待锚索的锚固剂施工完成20 min 后，在锚索所在的位置搭建工作台，在锚索的端部安装上辅助配件，主要是托板以及锁具等，使锚索对顶板起着很好的锚固作用。与此同时，把张拉用的油缸套在锚索的裸露端，使锚索在油缸的作用下稳定拉伸，待油缸的压力表达到2 MPa 时，应该立即停机，所有人应该撤离到作业地点5 m 以外的区域，打开油泵继续对锚索进行拉升，直至油缸的压力表读数达到45 MPa 左右时停机，并将油缸的压力降为零。张拉时，发现不合格锚索，必须在其附近补打合格锚索。锚索安装2 d 后，如发现预紧力下降，必须及时补拉。

4 结束语

通过分析了麦捷煤业150505 轨道顺槽的实际情况，对煤矿巷道的支护方式进行了设计。为了确定合理的锚杆和锚索支护参数，采用了数值模拟的方法。锚杆越长，施加的预应力应越大。反过来，通过提高预应力，可适当减小锚杆长度。考虑施工需要一定的角度，锚杆或锚索最大角度不应超过20°。