陈家山煤矿综放工作面全煤巷道锚网索支护技术

高铜+孟刚+陈永涛+贾圆

摘要：锚网索支护目前是煤矿井巷工程的一种主要支护形式，本文针对陈家山煤矿锚网索支护形式具体分析了全煤巷道支护机理，针对陈家山煤矿全煤巷道的特点，结合综放工作面全煤巷道锚网索支护经验，为陈家山煤矿4-2煤的支护提供了切实可行的支护方式。该支护方式可以降低支护成本，解决煤炭自然发火的隐患，进而减轻工人的劳动强度，具有显著的经济效益和社会效益。

Abstract： Bolt-mesh-anchor support is a kind of main support form for coal mine shaft engineering. In this paper， in view of the bolt-mesh-anchor support form of Chenjiashan Coal Mine， the supporting mechanism of coal roadway is analyzed in detail. In view of characteristics of coal roadway， combined with bolt-mesh-anchor support experience of fully mechanized caving face coal roadway， a practical support way for the Chenjiashan Coal Mine 4-2 coal is provided. The support method can reduce the cost of support， solve the hidden trouble of coal spontaneously， thereby reducing the labor intensity of workers， so it has significant economic and social benefits.

关键词：全煤巷道；锚网索支护；预应力；移近量

Key words： coal roadway；bolt-mesh-anchor support；prestressing force；displacement

中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）18-0111-04

0 引言

陈家山煤矿综采放顶煤工作面运回顺均沿煤层底板掘进，巷道顶板和两帮皆为煤体，维护困难，采用架棚、金属支架支护易产生严重的变形和破坏，需经常进行维护处理。由于有煤层自然发火危险，在回采工作面前方还需要替棚，工序复杂而又危险。锚网索支护目前做为一种主要支护形式，具有加固围岩、提高围岩强度及其承载力的作用，支护效果好，成本低，且有利于工作面两端头维护。

1 巷道的地质条件

陈家山煤矿427工作面运回顺、切眼，巷道总长为4050m，427工作面开采煤层为侏罗纪4-2煤，煤层底板起伏较大，底板标高为1009-895m，煤层埋藏深度为420-540m，厚度为3.1-12.2m，平均7.83m（不含夹矸），变化较大，但规律明显，煤层趋势总体由薄变厚。埋藏最深处位于设计的427回顺侧，停采线向里52m处；最浅处位于427运顺侧，427切眼向外370m处。

该区段煤层结构复杂，含夹矸1-4层，夹矸岩性多为炭质泥岩、粉砂岩和泥岩，单层厚0.1-0.8m，总厚度平均0.5m。煤层节理和裂隙发育，性脆易碎，普氏硬度指数2.5-3，单向抗压强度7.8-20.6mPa。

地表为山岳地形，沟深林密，对应位置为太白山向东北方向经春林河至崖头，海拔高度1490-1316m，地形复杂，相对高差较大。地表出露地层以第四系（Q4）黄土及松散沉积物为主，次为白垩系（K1）砂砾岩和砂岩沉积。

427区段地质构造相对简单，总体呈单斜构造，倾向南北，中里段以新民村向斜构造为主，轴向N15°E，兩翼倾角平缓，一般在5°以下。设计的运顺煤岩层倾角为1°32′-5°40′，平均3°29′，回顺0°42′-6°14′，平均3°18′，煤岩层倾角0°30′-6°，平均3°，两顺高差0-15m，回顺比运顺高。

4-2煤直接顶由粉细砂岩、4-1煤层组合而成的复合型Ⅰ类顶板，厚度1.35-5.12m，平均3.27m，稳定性差，强度较低，单向抗压强度9-14.6MPa，普氏硬度系数f=2.5-5.0。老顶由中细粒砂岩、3#煤煤线组合而成，厚度9.75-31.68m，平均20.75m，普氏硬度系数f=6-8，单向抗压强度24.9-51.2MPa，稳定性较好，属Ⅱ级顶板。底板由上而下为炭质泥岩，黑色、块状、含炭质，厚度0.1-2.88m，平均1.1m；其次根土岩：灰色，块状，含砂质，局部含铝质，植物化石及少量FeS2结核，质脆，遇水膨胀，厚1.86-5.5m，平均3.7m。最后为砂质泥岩：灰、灰绿、暗紫红色，中厚层状，具应力面和花斑状，中夹粉砂岩薄层，泥质胶结，厚3.91-31.4m，平均13.94m。

2 全煤巷道锚网索支护井下工业性应用

2.1 支护方案

427两巷设计断面形状均为直墙圆弧拱型（本文以427运顺为例进行说明），运顺断面S掘=16.1m2，S净=15.1m2；巷道毛宽5.0m，净宽4.8m；毛高3.4m，净高3.3m；墙高2.8m。巷道顶板锚杆从巷道拱顶正中按设计间排距尺寸向周围两边均匀布置，采用Φ18×2250mm（编码CKJS-C-M螺18-001）螺纹钢锚杆支护，每排7根；帮部采用Φ16×2250mm（编码CKJS-C-M螺16-003）圆钢锚杆支护，每排8根；锚杆间排距为800×900mm，顶部锚杆每眼使用1节Z2335、1节Z2360树脂锚固剂，锚固长950mm，帮部锚杆每眼使用2节Z3530树脂锚固剂，锚固长度600mm；同时每根锚杆配备δ8×120×120mm铁托板一块，加厚防松螺母1个；网采用Φ2.6×1100×11000mm菱形铁丝网支护；每排使用3根10×70×3000㎜钢筋衍架托梁，并用扎丝双排迈步式连接；顶部锚索采用Φ15.24×7300mm钢绞线，间排距1600mm×2700mm，双排矩形布置，同时配备M12×600mm槽钢一块、δ8×150×80mm垫板和锁具一个。

在巷道右侧帮部打一组组合锚梁，每个锚梁配2根锚索，锚索规格为Φ15.24×4900mm，锚梁规格为12#×1500mm槽钢，间距为2700mm。每根锚索使用2节Z2335、2节Z2360树脂锚固剂，锚固长度1900mm。

永久支护距工作面的最大距离为1100mm，最小距离为200mm。

注：每掘进300m加一排绝缘隔离带（塑料网）。

2.2 锚杆、锚索支护强度验算

①按杆体承载力与锚固力等强度原则对锚杆直径进行计算：

式中：d——锚杆直径，cm；

Q——锚杆锚固力，70kN；

δt——抗拉强度，取380MPa。

代入得d=0.48cm

矿井实际使用18mm锚杆，符合支护要求。

②按单体锚杆悬吊作用计算锚杆长度：

L=L1+L2+L3

式中：L——锚杆总长度，m；

L1——锚杆外漏长度，取0.1m；

L2——有效长度（取免压拱高b1），m；

L3——锚杆锚入坚固稳定岩层的深度（顶锚杆取0.7 m，帮锚杆0.3m）；

L2=b1=1/f×[B/2+Hcot（45°+φw/2）]

式中：B、H——巷道掘进跨度和高度，B=5.0m，H=3.4m；

f——顶板岩石普氏系数，取3；

φw——两帮围岩的内摩擦角，φw取63.43°（查表可知）

结合上述公式计算可得出：

L2=1.16m；

顶锚杆长度L顶=0.1+1.16+0.7

L顶=1.96m；

帮锚杆长度L帮=0.1+1.16+0.3

L帮=1.56m；

矿井实际使用锚杆长度2.25m，符合支护要求。

③按单体锚杆悬吊作用计算锚杆间距：

式中：a—锚杆间距，mm；Q—锚杆锚固力，70kN；

K—安全系数，一般取2；γ—岩体容重，26.7kN/m3；

L2 ——巷道顶板岩层破碎带高度，取且1.16m。

代入数据计算得：a=1.16m

矿井实际为0.8×0.9m，符合支护要求。

④锚索支护验算：

根据地质钻孔柱状图参考分析得知，直接顶无坚硬岩层。为有效防止巷道顶板岩层发生大面积或整体垮落，选用？准15.24mm×7300mm的钢绞线，每排施工2个锚索，将锚杆加固的“组合梁”整体悬吊于坚硬岩层中。冒落方式按最严重的冒落高度大于锚杆长度的整体冒落进行考虑，此时，靠巷道两帮的角锚杆和锚索一起发挥悬吊作用，同时在忽略岩体粘结力和内摩擦力的条件下，利用垂直方向力的平衡，選用悬吊理论校核锚索排距：

L=nF2/[（BHγ-2F1sinθ）/L1]

式中：L——锚索排距，m；

F1——锚杆锚固力，70kN；

B——巷道冒落宽度，取5.0m；

H——巷道冒落高度，按最严重冒落高度取2.0m；

Γ——岩体容重，26.7kN/m3；

L1——锚杆排距，0.90m；

F2——锚索的极限承载力，取230kN；

θ——角锚杆与巷道顶板夹角，75°；

n——锚索每排个数，取2个。

代入数据计算得L=3.11m

矿井实际为2.7m，符合支护要求。

由以上验算数据可知，陈家山煤矿所选用的锚杆规格、锚杆间排距、锚杆长度及锚索间排距符合支护要求，为增加支护的安全系数，又采用铁丝网等一系列补强措施，加强了各巷道的支护强度。

2.3 巷道支护断面图

巷道支护断面图如图1所示。

3 施工方法及技术要求

3.1 施工方法

巷道掘进施工均采用EBZ—160悬臂式掘进机截割施工，短掘短支一次成巷；配40T刮板输送机与80胶带输送机出煤，顶部锚杆眼、锚索眼施工和锚固用MQT-85风动锚索机施工。工作面最大空顶距1100mm，最小空顶距200mm，坚持割一排，支护一排。

3.2 技术要求

①毛断面巷道轮廓尺寸误差为0～+200mm，锚杆间排距误差为0～±100mm，安装角度误差不超过±5°。②锚杆、锚索眼深误差不得超过±50mm。③锚固剂搅拌必须一次完成，严禁二次搅拌，一次搅拌时间不超过30秒。④网压茬200mm，扣距150～200mm，用扎丝双排迈步式连接牢固，无压茬或小于50mm，连接距超过200mm或未连接属不合格。网必须挂到底、挂齐。⑤顶板锚杆、锚索预紧力为100kN，老空侧帮锚杆锚固力为60kN，每天抽查一次，达不到要求必须及时补打锚杆、锚索，从而保证支护强度。

4 全煤巷道锚网索支护机理分析

目前锚网索支护有多种理论：悬顶理论、组合梁理论、组合加固拱理论、挤压连接作用等。这些理论与学说在一定时期对厚煤层锚网索支护技术的发展起到积极推动作用。经研究实践证明：锚杆预应力达到60-70kN的范围时，即可有效地减小巷道围岩变形幅度，又有效控制了巷道顶板的下沉量及顶板离层。特别是该预应力达到临界值后，支护系统就能控制住围岩变形。基于高水平地应力的相关作用，提出了“刚性”梁顶板，充分利用水平应力来维护顶板的稳定性。所以，锚杆预应力的大小对顶板的稳定性起决定性作用，当预应力达到一定程度后，锚杆长度范围内以及锚杆以外的顶板离层得以消除。

锚杆预应力的作用在于给顶板及时提供很高的工作阻力以形成“刚性”顶板，“刚性”顶板本身提供了一个压力支撑机构，不存在横向弯曲变形，只有纵向的微小膨胀和压缩变形。建立“刚性”梁顶板可提高顶板整体的抗剪强度，使其破坏程度不向顶板纵深方向发展。在该条件下顶板的垂直压力被转移到两侧煤体纵深，巷道两侧煤体压力减少，片帮现象得以缓和，与无预拉力锚杆支护相比较，高预应力主动锚杆支护的原则是先护顶，后护帮，在一定极限范围内，顶板稳定性与巷道跨度关系不是很大，顶部锚杆的高预拉力作用是维护顶板的“刚性”，而两帮锚杆的作用是维护两帮煤体的整体性和完整性，这一支护理论弥补了“松动圈”理论的缺陷，使在相对简单的地质条件下采用大间排距锚网索支护成为可能。同时顶部锚杆间通过钢带或托梁、菱形金属网横向连接成整体，相互作用，防止煤炮或掘进过程中破碎煤体的冒漏，组合锚网索支护系统使锚固区具有很好的刚度，其自身稳定性很强，尤其对内部围岩起阻止和限制作用，顶板的破坏性也大大减少。基于“刚性”梁支护理论开发出的高性能预拉力锚网索支护系统已在淮北、淮南、彬长等地得到大范围推广应用，并取得成功。

5 矿压观测结果

陈家山煤矿安装的是KJ24矿压监测系统，实现了锚杆应力和顶板离层不间断监测。

顶板离层监测每隔300m设置1处，巷道表面位移监测分别设3-5处，锚杆、锚索承载监测设1-2处，螺母拧紧力矩每班必须安排专人进行抽查，所需仪器规格及数量见表2。

为准确掌握巷道围岩的变形规律，在掘进巷道开始时应及时进行巷道围岩表面位移观测。围岩表面位移观测主要包括顶底板的移近率（K），巷道两帮移近率（S），观测结果如下：

①巷道刚开始掘进期间顶板下沉量分别为35-48mm，两帮移近量98-125mm，说明巷道围岩位移以两帮为主，顶部高预应力锚杆、锚索支护发挥了有效作用，形成“刚性”梁顶板，使顶部压力向两帮煤体纵深转移，可见顶板支护是厚煤层巷道支护的一个重点。

②回采期间工作面超前影响距离40-50m左右，剧烈影响范围在20m左右，顶板下沉量为280-400mm，最大变形速度为6-7.5mm/d；两帮移近量为120-300mm，最大变形速度4.6-5.4mm/d。在此期间巷道变形量占巷道总变形量的70%以上，可见全煤锚网索支护巷道受回采巷道影响显著。

通过矿压监测数据分析得知，全煤锚网索支护机理对帮顶支护效果较好，其变形量特点是：掘进阶段以水平（即两帮）移近为主，而在回采阶段受采动影响则以垂直（即顶底）移近为主。

6 结论

①锚网索支护体系是主动、及时支护、短掘短支等最大程度上实现了顶板在暴露后未出现离层和在未受到顶板最大应力影响之前，就完成了巷道支护，及时有效控制了顶板下沉量，增强了顶板抗剪强度，充分发挥了锚网索支护结构的主动性和优越性。

②通过验证为陈家山煤矿侏罗纪4-2煤全煤巷道提出了一个切实可行的单一锚网索支护新技术。

③全煤锚网索巷道支护与架棚巷道相比较，大幅度控制了围岩变形量及变形速度，顶底板与两帮的移近量减少45%左右，实现了综放工作面的快速安装，又简化了综放工作面端头支护工序，为实现工作面稳产高效创造了有利条件。

④全煤锚网索支护一方面提高了掘进速度，另一方面简化了安装程序，降低了支护成本，大大减轻了职工的劳动强度。

⑤综放工作面巷道支护采用锚網索技术对提高单进和掘进工效，降低材料消耗，延长巷道服务时间，减少回采期间维护量和保证巷道使用的安全性将产生深远意义。

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