高瓦斯矿井综采工作面瓦斯抽采巷锚杆支护优化设计

赵仕元

(山西焦煤汾西矿业集团双柳煤矿，山西柳林033300)

0 引言

汾西矿业集团公司双柳井田位于柳林县孟门镇白家焉村，在离柳矿区三交三号井开发二叠系山西组下段顶部(3 +4)#合并层煤，煤层平均厚度3.42 m，属于高瓦斯矿井。煤层开采采用常规的三巷布置方式。用于回风的顺槽兼作抽放瓦斯的专用巷道，也称作瓦斯抽采巷。瓦斯抽采巷既作为本工作面回风巷道使用，同时还承担下个工作面的材料运输任务，作为材料巷道应用。

1 双柳矿瓦斯抽采巷支护现状

近年来，双柳矿井的开采逐步向深部发展，矿井的地压不断增大，巷道围岩压力显现强烈。尽管此前开展过相关瓦斯抽采巷支护技术的研究工作，但是由于矿井开采向深部发展，而且开采煤层地质条件也比浅部复杂，再加之巷道断面加大，瓦斯抽采巷表现出新的变形特征和破坏模式。根据井下调研和实地反映，主要表现在以下方面。

1)巷道两帮整体移出。特别是煤柱帮，造成巷道断面严重收缩，不能满足材料运输、以及行人和通风的使用要求，巷道的有效断面使用率降低。

2)巷道底鼓严重。严重地段底鼓量高达1 000 mm 以上，严重制约矿井的安全生产。

3)巷道顶板整体下沉。顶板下沉量比较大，局部冒顶变形严重，严重影响到巷道的回采使用。

2 瓦斯抽采巷原有支护方案

瓦斯抽采巷顶板采用锚-网-钢筋托梁联合支护，锚索补强加固;帮部采用圆钢锚杆-金属网-钢筋托梁叠加支护，其中最下排锚杆配合W 托板支护。

1)瓦斯抽采巷顶部采用φ20 mm×L2 400 mm 螺纹钢锚杆配合钢筋托梁叠加支护，每根螺纹钢锚杆配套使用1 支K2355，1 支Z2355 型树脂锚固剂。顶部锚杆呈矩形布置，除2根边角锚杆呈75°向帮内倾斜外，其余均垂直于顶板布置。顶锚杆间排距为850 mm ×1 000 mm，每排布置5 根。托盘均采用冷冲钢托盘，钢筋托梁规格:φ14 -60 -850 -1 150 mm。

2)瓦斯抽采巷帮锚杆采用 φ18 mm × L1 800 mm 圆钢锚杆，配合长φ14 -60 -850 -1 150 mm 的钢筋托梁叠加支护，最下排锚杆配合使用400 mm×165 mm ×3 mm 的w 钢托板竖放支护;每根锚杆配套使用1 支K3537 型树脂锚固剂;锚杆间排距为850 mm ×1 000 mm，均呈矩形布置，垂直于两帮，每排均布置2 ×4 根，支护时最上一排锚杆距顶均为200 mm，帮锚杆滞后顶锚杆500 mm，最下一排帮锚杆距迎头顶锚杆不超过2排，帮部松软时必须紧跟迎头。

3)锚索采用 φ15.24 mm ×L6 400 mm 的钢绞线，配合［12×L3 000 mm，孔间距为2 400 mm 的槽钢联合支护，每根锚索配套使用K2355、Z2355 型锚固剂各1 支，锚索顺巷道轴向布置，沿巷中线两侧700 mm 各布置一排，排内锚索间距为2 400 mm，相邻交错锚索错距1 200 mm。锚索滞后工作面迎头的距离不超过13 m，顶板压力大，矿压现象明显时紧跟工作面迎头。

4)瓦斯抽采巷铺设网片采用规格为长×宽=11 m×1.1 m的双抗网，网孔规格45 mm ×45 mm。瓦斯抽采巷锚杆支护设计见图1。

图1 瓦斯抽采巷原有支护设计方案

3 瓦斯抽采巷原有支护方案存在主要问题

针对双柳矿瓦斯抽采巷支护现状，并进行了井下实地调研和考察，以及细致分析了瓦斯抽采巷现有支护方案，总结认为瓦斯抽采巷支护主要存在以下不足之处。

1)锚杆的初期预紧力偏低。双柳矿锚杆支护过程中给锚杆施加预紧力，主要是依靠MQT—120 锚杆钻机自身的输出扭矩，以及附加人工操作扭矩扳手实施。MQT—120 锚杆钻机输出扭矩为100 N·m，转化成预紧力为10 kN，而人工再使用扳手施加预紧力更是有限的，因此，锚杆的初始预紧力最大不超过10 kN。

2)锚杆的预紧力扩散程度偏低。锚杆支护的优势是主动及时，但锚杆支护的作用效果表现在锚杆的整体支护上，锚杆整体支护作用的发挥体现在锚杆预应力能否有效大面积的扩散。只有单根锚杆的预应力都得到有效大面积的扩散，那么整个锚杆群的预应力扩散形成有效的大面积压应力区，才能发挥锚杆整体支护的功能。实现锚杆预应力的有效扩散主要有两个途径:一是通过有效途径给锚杆施加较大的预紧力;二是通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的有效扩散。双柳矿瓦斯抽采巷原有巷道顶板辅助构件主要使用钢筋托梁，而不是钢带，钢筋托梁传递锚杆预应力的效果要大大低于钢带，这是造成锚杆预应力扩散程度低的主要原因。

3)巷帮的支护强度偏低。双柳矿瓦斯抽采巷变形破坏的主要特征是巷帮整体移近，说明支护对巷帮的控制相对较弱，致使巷帮发生整体移近。我矿原有瓦斯抽采巷巷帮主要采用φ18 的圆钢锚杆支护，特别是煤柱帮也采用圆钢锚杆。瓦斯抽采巷是经受多次动压复用的巷道，两帮的支护强度必须加强。

4)巷道整体的支护强度偏低。双柳矿瓦斯抽采巷变形破坏主要表现为顶板整体下沉，局部冒顶严重，两帮整体移近以及巷道严重底鼓等矿压显现特征，出现这些影响矿井安全生产的负面现象有很多因素，单从支护的角度来讲，主要是巷道的支护强度偏低造成。由于支护强度偏低，没有控制住巷道受到强烈动压影响后围岩变形破坏的作用，从而导致巷道出现上述破坏特征。

4 支护方案优化设计

4.1 设计原则

根据双柳矿瓦斯抽采巷变形破坏特征，以及参考巷道原有支护设计方案，提出优化设计方案的设计原则。

1)一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。一方面，这是矿井实现高效、安全生产的要求，为采矿服务的巷道和硐室等工程，需要保持长期稳定，不能经常维修;另一方面，这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到显著影响。

2)高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力;另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚度与完整性。

3)“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度(如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度)、刚度(提高锚杆预应力、加长或全长锚固)，保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。

4)临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。因此，设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值。

5)相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。

6)可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。

7)在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。

4.2 巷道支护方案

4.2.1 33403 工作面概况

双柳煤矿33403 工作面主采属二叠系山西组下段顶部(3+4)#煤煤层，煤层总厚2.47 ～4.0 m，平均厚度3.42 m;该煤层区内稳定，结构复杂，含两层左右黑色泥岩夹矸层;煤层倾角0 ～10°，平均4°。开采的(3 +4)#煤层伪顶:泥岩，局部发育，灰黑色，厚度0.5 m;直接顶:砂岩、砂质泥岩，由下至上灰白色—灰黑色，粒度由粗—中粒变为细粒，水平层理，含砂均匀，夹粉砂岩条带，厚度12.94 ～15.53 m，均厚13.4 m。老顶:K4砂岩，灰白色粗粒砂岩，厚度4.4 m。直接底:砂质泥岩为主，发育斜裂隙，半坚硬，厚度5.65 m。

4.2.2 断面设计

考虑到33403 工作面瓦斯抽采巷在掘进过程中设备尺寸，通风要求和巷道围岩变形预留量，设计33403 工作面瓦斯抽采巷尺寸如下:断面为矩形，巷道宽4 600 mm，高3 000 mm，掘进断面为13.8 m2。

4.2.3 支护方案

经理论分析结果，再结合工程类比分析，确定33403 工作面瓦斯抽采巷锚杆支护初始设计如下:巷道采用树脂加长锚固锚杆组合支护系统，并进行锚索补强。

1)顶板支护。

锚杆形式和规格:杆体为20# 左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4 m，杆尾螺纹为M22。

锚固方式:树脂加长锚固，采用2 支锚固剂，1 支规格为K2355，另1 支规格为Z2355。钻孔直径为28 mm，锚固长度为1 500 mm。

锚杆初始预紧力:设计初始预紧力为300 N·m。

W 钢带规格:采用厚3 mm 的钢板滚压而成，宽度280 mm，长度4.2 m。

托盘:采用拱型高强度托盘，托板规格为130 mm×130 mm×10 mm。

锚杆布置:锚杆排距1 000 mm，每排5 根锚杆，间距1 000 mm。

锚索:单根钢绞线，φ17.8 mm，长度6.4 m，加长锚固，采用3 支锚固剂，1 支规格为K2355，两支规格为Z2355。每排2 根，间距为1.8 m，排距为2.0 m。托板规格为300 mm×300 mm×16 mm。

2)巷帮支护(两帮支护完全相同)。

锚杆形式和规格:杆体为20# 左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.0 m，杆尾螺纹为M22。

锚固方式:树脂加长锚固，采用两支锚固剂，1 支规格为K2355，另1 支规格为Z2355。钻孔直径为28 mm，锚固长度为1 300 mm。

锚杆初始预紧力:设计初始预紧力为300 N·m。

托盘:采用拱型高强度托盘，托板规格为130 mm×130 mm×10 mm。

W 型护板规格:采用厚3 mm，宽280 mm 底钢板滚压而成，长度400 mm。

锚杆布置:锚杆排距1 000 mm，每排3 根锚杆，间距1 000 mm。

巷道网片采用双抗网，规格为10 m×1.1 m。

33403 工作面瓦斯抽采巷锚杆支护布置见图2。

图2 综采33403 工作面瓦斯抽采巷锚杆支护优化设计图

5 运用效果分析

目前，33403 综采工作面已采完，通过33403 瓦斯抽采巷实测，发现该瓦斯抽采巷无顶板下沉、底臌、两帮收缩、顶帮失效锚杆等现象，该瓦斯抽采巷完全可以作为下一个工作面33405综采工作面材料巷。

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