綜采放頂煤工作面順槽錨網索支護參數的設計

文/張秋林

綜采放頂煤工作面順槽錨網索支護參數的設計

文/張秋林

沁陽煤礦位于山西沁水煤田西部，井田范圍5.145k m2,屬低瓦斯礦井。礦井共有三個井筒，以一井一面達到礦井生產能力，采煤工作面采用綜采放頂煤工藝。

一、工作面概況

沁陽煤礦3110綜放工作面煤層平均厚度5.89m，煤層傾角平緩，水文地質構造簡單，頂板為泥巖，直接頂為粗粉砂巖，老頂為中粒砂巖，底板為粗粉砂巖。工作面兩順槽采用錨桿錨網支護，矩形斷面，煤層產狀平緩，傾角在0°～5°，水文地質情況簡單，局部地段有淋水。煤層頂板有20cm左右的泥巖偽頂，直接頂為2m左右的粗粉砂巖，老頂為中粒砂巖厚度為8m，底板為粗粉砂巖，厚度為2m。

3110工作面順槽沿煤層底板掘進，3126巷、3130巷分別為其運輸順槽和回風順槽，其中運輸順槽寬4200mm，高 2900mm，回風順槽寬 3500mm，高2900mm，瓦斯尾巷沿頂板掘進，回風順槽寬3000mm，高2500mm。

二、支護設計

1.設計理論依據

本次巷道支護參數設計以圍巖松動圈支護理論和矩形煤巷相似模擬試驗結果為依據，根據井下巷道破壞變形觀察和圍松動圈實測，3110綜放面順槽為大松動圈圍巖巷道。對支護參數和施工工藝應根據組合拱理論設計，支護形式采用錨網索一體支護。錨桿為主體構件，在圍巖碎脹過程中錨桿受拉并將其拉應力轉化為對圍巖的壓應力，從而使已破裂松動的圍巖重新組合起來并形成新的支護結構體——組合拱。

2.斷面形式與尺寸

3110工作面順槽采用矩形斷面，其中運輸順槽寬4.2m，高2.9m，斷面積12.18m2；回風順槽寬3.5m，高2.9m，斷面積10.15m2；瓦斯尾巷寬3.0m，高2.5m，斷面積7.5m2。

3.錨網索一體支護

錨網索支護結構主要適用于復雜地質開采條件下的巷道支護，包括厚煤層沿底板掘進的煤層頂板、煤巖交替沉積、層厚較薄的復合頂板和巖體松軟、壓力大的Ⅳ、Ⅴ類巷道圍巖條件，以及巷道斷面加大、位于采空區側巷道、孤島開采的工作面兩巷、受構造影響區域的巷道等。

根據地質條件，3110綜放面順槽采用錨網索一體支護，優越性主要體現在：錨網索一體支護是主動支護結構；在支護參數設計上，加大了組合拱的厚度，且參數選擇的合理性經計算分析并進行驗證；提高巷道支護結構的整體性，增設兩幫鋼筋梯和金屬網。

具體支護參數如下。

頂板錨桿：錨桿規格φ20×2200mm，采用單向左旋無縱筋螺紋制作，錨桿的間排距為800mm×800mm，錨桿孔徑為 φ29mm，2卷樹脂藥卷端錨，CK2335和K2335各一卷，錨固長度不小于700mm，錨固力不小于70KN。

兩幫錨桿：采用玻璃鋼錨桿， 規格為 φ20× 2000mm，錨桿的間排距為800mm×800mm，2卷樹脂藥卷端錨，錨固長度不小于700mm，錨固力不小于70KN。

錨索：F17.8×7500mm，排距為1600mm，錨固長度不小于1000mm，錨固力不小于300KN。

錨桿托盤：頂板托盤采用8×130×130mm的Q235金屬托盤，幫部采用20×150×3500mm大木板。

錨索托盤：10×300×300mm的鋼板。

鋼筋梯：鋼筋梯采用φ14的鋼筋焊接而成，頂板長度為3500mm，幫部長度為2300mm，外寬100mm，中間焊接短肋間距與錨桿間距一致800mm。

金屬網：金屬網規格為3.8m×1.0m，采用10#鉛絲編織的菱形金屬網（或尼龍網），網格為50×50mm。

4.錨桿間排距設計參數驗算

（2）組合拱承載力。組合拱承載力主要取決于錨桿的約束阻力，煤巖體內摩擦角，組合拱切向承載力，徑向約束阻力的大小。

（3）錨桿合理參數確定與驗算。錨桿約束力一般與錨桿長度、錨固劑性能、錨固方式、錨桿及鉆孔粗糙度有關，即與錨桿支護“三徑”匹配有關。對于端錨，它的極限值為最大拉拔力。因此：

式中：Qb—錨桿最大拉拔阻力，由現場試驗取得，這里取70kN；k’—錨固方式系數。端錨取1.0；矩形組全拱受外部圍巖應力作用，設為均布荷載q作用，根據受力平衡，q在組合拱中產生的切向力，式中：W為巷道寬度。根據圍巖松動圈支護理論，均布載荷q即煤巖體剪張力，與圍巖應力和強度有關，由巖性試驗得到。要保證組合拱穩定而不受破壞，組合拱承載力應大于圍巖荷載產生的切向力。

巷道幫錨桿，由于按側壓力系數0.8估算組合拱厚度應為1.21m，那么錨桿合理長度應為2.0m。顯然，巷道頂板與幫錨桿長度及間排距是合理的。

三、礦壓觀測

1.巷道表面位移測試

通過在巷道的兩幫及頂底板布置固定的測點，測定巷道的兩幫內擠量、頂板下沉量、底臌量、頂底板移近量等參數。表面位移測試在各類巷道中均可布置測點。測點應在掘進工作面5～6m范圍內安設，鉆直徑42mm、深380mm的孔，將長度為400mm、直徑為42mm的木樁打入孔中，木樁端部安設環形鉤測釘。用測線繩和皮卷尺直接量測位移量。

在試驗巷道中，共設4～5個測試斷面；在巷道不穩定期間，可每天測試一次，當巷道趨于穩定后，可適當延長測試的時間間隔。

2.錨固區內外頂板離層觀測

采用頂板離層觀測儀測試頂板巖層錨固范圍內外位移值，一般設2點（錨固區內外各一點）。

3.效果分析

由監測結果可知：3126順槽煤巷頂底板最大變形量為29mm，幫最大變形量為43mm，頂板離層量很小，在20mm范圍內，且在20天內基本穩定。試驗段巷道并未發生的變形及裂縫、斷裂現象，沒出現斷錨桿等異常情況，巷道穩定狀況良好。錨網索一體支護起到了預期的支護效果，同時提高施工速度節約了投資，說明支護方案科學安全可行。

巷道圍巖變形監測

四、結論

1.“矩形錨網+錨索”錨桿支護設計在沁陽煤礦綜放順槽煤巷支護中獲得成功。

2.在支護過程中，采用加固幫角的支護方法，能較好地控制頂板變形與破壞。

3.采用錨桿支護，允許巷道發生一定的變形，巷道圍巖變形與破壞控制在生產允許的范圍之內。

4.錨網索支護能有效控制綜放順槽煤巷圍巖的離層和不協調變形，提高了順槽巷道支護的整體性，保證了礦井的安全生產。

（作者單位：山西蘭花沁陽煤礦有限公司）

（責任編輯：李元）