東歡坨礦動壓大變形巷道錨網索支護參數優化及實踐①

張顯峰

(開灤(集團)有限責任公司，河北 唐山 063000)

東歡坨礦動壓大變形巷道錨網索支護參數優化及實踐①

張顯峰②

(開灤(集團)有限責任公司，河北 唐山 063000)

為解決動壓影響條件下深井軟巖大變形巷道難以維護的問題，本文對東歡坨礦巷道圍巖弱結構變形特征和錨固支護機理進行了分析，考察了回采巷道受采動影響的圍巖變形特點，對現有錨網索支護參數進行了系統優化，繼而提出了該礦深井軟巖大變形巷道錨網索支護的設計方案:錨桿提高圍巖自身承載能力+底角錨桿控制底鼓+錨索縮小頂板巖層拉應力區范圍+金屬網形成柔性支護體系。井下實測結果表明，錨網索聯合支護可實現大變形軟巖回采巷道的有效支護。為其它礦區類似條件下的動壓巷道合理支護提供了借鑒。

動壓巷道;錨網索聯合支護;大變形;優化設計

采動影響下大變形軟巖巷道支護參數的確定是煤礦開采中的一項關鍵技術［1］，由于其圍巖軟、強度低、膨脹性大、應力水平高、無可選擇性、動荷載作用、時限性等特點導致的圍巖變形控制一直是地下工程的關鍵難題之一［2］。東歡坨煤礦位于河北省唐山市境內，開平煤田的北西翼，目前礦井主采煤層為二疊系下統大苗莊組8煤、9煤和石炭系上統趙各莊組11煤、12-1煤層［3］。多年來回采巷道一直采用錨網支護，由于頂板巖層完整性差、裂隙發育，底板松軟易膨脹，工作面回采過程中巷道礦山壓力顯現劇烈，原有支護參數不盡合理，不但增加了巷道支護成本、影響了巷道掘進速度，而且增加了復雜條件下應用錨桿的難度，致使錨桿支護技術不能有效發揮作用，因此迫切需要進行新的支護方案設計。本文將結合東歡坨礦地質特征及開采技術條件，對該礦深井軟巖動壓巷道錨網索支護參數進行優化，得出合理的巷道支護形式與支護參數，并據此支護方案在該礦-690水平中央下段采區進行了工業性試驗，獲得了良好的技術經濟效果。

1 巷道工程條件

東歡坨礦3088工作面位于-690水平中央下段采區北翼8煤層，地面標高+20.71 m，工作面標高-551 m～-689 m，南至中央下段采區運輸上山，北至3088切眼，斜上方為3086工作面。工作面所采煤層厚度2.4～4.7m，平均3.35m，煤層傾角4～25°，平均 19.8°，煤層穩定，結構簡單(煤層頂底板巖性見表1)。3088工作面回風平巷長2215m，運輸平巷長2277m，其中運輸平巷沿煤層頂板布置，采用錨網支護，其巷道規格:寬×高=4.5 m×3.2 m，該巷道由于埋藏深度較大、頂底板巖性及結構的特殊性，頂底板巖層已經接近到軟化臨界荷載，此時，由于巷道開挖所引起的圍巖應力重新分布導致的區域應力集中或已掘出巷道受到采動支承壓力的影響，頂底板巖層就會進入到軟巖塑性變形狀態，從而給巷道圍巖穩定性控制帶來諸多不便。

表1 3088工作面煤層頂底板巖性

續表

2 支護現狀評價及大變形軟巖錨固支護機理

東歡坨礦應用錨桿支護以來，在特定條件下取得了較好的支護效果。然而，當礦井進入中深部開采以后，原支護設計問題逐漸暴露出來，尤其是受采動影響劇烈的軟巖回采巷道，圍巖變形更加顯著，主要表現為頂板下沉量大，局部頂板破碎形成網兜、巷道兩幫移近量加劇、局部片幫、底鼓現象時有發生、部分錨桿脫落失效等現象。現場拉拔試驗也顯示，錨桿極限拉拔強度僅為18 kN左右，遠沒有達到設計要求，這表明錨網索未發揮應有作用，現有錨桿支護已不能很好地適應目前的地質條件。

根據裂隙體及破碎體的煤(巖)層力學特征，在深部軟巖巷道支護體系中，錨桿應能通過與圍巖的相互作用，防止圍巖松動破壞，并有一定的伸縮性，可隨巷道的變形，而不失去支護能力［4］;錨索作為加強支護方式，錨固深度大，可將下部錨桿形成的次生承載結構與主承載巖層相連，主動支護圍巖，充分調動巷道深部圍巖的強度;采用“頂錨桿+幫錨桿”支護時，頂板和煤幫強度得到加強，巷道底角應力集中現象比較明顯，易造成巷道底鼓，施加底角錨桿后，底板淺部巖體高應力區被轉移到圍巖深部，應力集中現象得到緩解，縮小了底板巖層破壞區域，使得巷道底鼓得到明顯改善;在巷道表面輔以鋼帶和金屬網，保證錨桿預緊力均勻分布，防止錨桿間的松軟巖石垮落及淺部破壞向深部擴展，提高支護的整體性［5］。

由上述分析可以看出，大變形軟巖錨網索聯合支護機理并非是各種支護構件的簡單疊加，而是應該適應松軟頂底板煤巷的變形特點，充分發揮錨桿、錨索的支護能力，保證巷道圍巖的穩定。因此，采用“高強度讓壓錨桿+錨索+底角錨桿+鋼帶+金屬網”的聯合支護方案，確保合理的支護參數，可保證巷道處于良好的維護狀態。

3 支護設計優化

根據上述分析，支護參數優化設計的思路是:在錨桿支護的基礎上，采取小孔徑錨索補強支護措施，防止錨固區外圍巖離層和塑性區擴展，增強圍巖自身承載能力，打設底角錨桿，發揮其在底鼓控制中的重要作用，輔以鋼帶和金屬網，保證錨桿預緊力均勻分布，提高支護的整體性，最終達到控制圍巖穩定的目的。東歡坨礦-690水平中央下段采區動壓巷道錨網索支護設計主要參數計算如下:

3.1 頂板錨桿支護參數

3.1.1 錨桿長度

式中:k—安全系數，取1.1;L1—錨桿外露長度，取0.1 m;Lp—松動圈厚度，根據3088工作面運輸平巷現場實測結果，取1.42 m;L2—錨桿錨入圍巖松動圈之外的深度，取0.45 m。經計算L=2.11 m。根據現場應用實際情況，最終確定頂板錨桿長度L=2.2 m。

3.1.2 錨桿直徑

根據錨桿承載能力和錨固力等強度原則確定錨桿直徑，計算公式如下:

式中:d—錨桿直徑，mm;Q—錨固力，由拉拔試驗確定，一般為70～100 kN;σmg—桿體材料抗拉強度，選擇左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，強度取335 MPa。另據經驗公式d=L/110，其中L為錨桿長度，取L=2200 mm，則d=20 mm。因此確定選用φ20 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。

3.1.3 錨桿間排距

根據每根錨桿懸吊巖石載荷大小確定錨桿間排距，即錨桿懸吊巖石載荷(G=a2L2γ)等于錨桿的錨固力(Q)。則

式中:a—錨桿間距，m;Q—錨桿的錨固力，一般為70～100 kN;μ-錨桿安全系數，取μ=1.5;γ-巖石容重，取27.0 kN/m3;L2—被錨固巖層厚度，取1.9 m。理論計算結合工程類比，確定錨桿間排距800×800 mm。

3.2 幫部錨桿支護參數［6］

不考慮構造應力情況下，覆巖自重在煤巷兩幫煤體產生拉應力和剪應力，造成兩幫煤體的破壞，通過幫錨桿給圍巖施加一定的壓應力，改善圍巖應力狀態。對于受拉區域，可抵消部分拉應力，提高圍巖抗拉能力;對于受剪區域，通過壓應力產生的摩擦力，提高圍巖的抗剪能力。根據東歡坨礦實際情況，巷道兩幫支護采用φ18×2000 mm圓鋼錨桿，左右兩幫各 4根，間排距 800×800 mm。

3.3 錨索支護參數選擇［7］

為了適應深部動壓軟巖巷道圍巖大變形特點，避免深部軟弱巖層界面產生離層導致頂板下沉和垮落，采用錨索加強支護，發揮其懸吊補強作用，可將錨桿支護形成的次生承載層與圍巖的主承載層相連，充分調動深部圍巖的承載能力，提高支護系統的整體穩定性。錨索錨固長度及錨索長度計算過程如下:

3.3.1 錨索錨固長度La

式中:μ—安全系數，取1.5;d—鋼絞線直徑，取15.24 mm;fs—鋼絞線抗拉強度，取1860 N/mm2;fc—錨索與錨固劑的設計粘結強度，樹脂作錨固劑時，取5.0 N/mm2。經計算得:La≥2125 mm。根據實際應用情況，確定錨索錨固長度為2.2 m。

3.3.2 錨索長度

錨索長度應根據巷道頂板情況變化而調整，保證錨索打在堅硬巖層里2000mm以上，即:錨索宜錨固在圍巖深部較穩定的巖層中。長度按下式計算:

式中:L—錨索總長度，m;La—錨索深入到較穩定巖層的錨固長度，取2.2 m;Lb—需懸吊的不穩定巖層厚度，取5.8 m;Lc—上托板及錨具的厚度(≥0.1 m)，取0.15 m;Ld—需要外露的張拉長度(≥0.2m)，取0.25m。考慮直接頂厚度的不均勻性和施工影響因素，安全系數取1.05～1.2，則錨索長度為:L=8.82～10.08 m。考慮到實際情況，取錨索長度為9.3 m。

3.4 網支護參數選擇［8］

頂板鋼筋網采用φ6 mm鋼筋網加工而成，規格為6000×1100mm，網格80×80mm;幫網:工作面側采用塑料網，規格為15000×1500 mm，網格80×80 mm;非工作面側采用鋼筋網，規格為3000×1500 mm，網格80×80 mm;網與網之間搭接100 mm。

4 支護方案的確定及工程實踐

1)正常地段支護方式采用“高強度讓壓錨桿+錨索+鋼帶+金屬網”支護

頂板采用φ20×2200 mm左旋無縱筋螺紋鋼預應力錨桿，配KT-M5鋼帶和鋼筋網聯合支護。錨桿間排距800×800 mm，其中靠實體煤側和采空區側的頂板錨桿傾斜10°布置，其它錨桿垂直頂板布置，采用端頭加長錨固。在巷道頂板每隔2排錨桿布置1根錨索，即布置形式為“1-0-0-1”，錨索長 8.82～10.08 m，直徑 φ=15.24 mm，要求錨索生根于堅硬巖石中長度不少于2.0 m。錨索采用1只K2360和2只Z2360樹脂錨固劑。根據東歡坨礦實際情況，巷道兩幫支護采用φ18×2000 mm圓鋼錨桿，左右兩幫各4根，間排距800×800 mm。具體支護參數如圖1所示。

2)遇到斷層、地質構造時方案調整［9］，即“高強度讓壓錨桿+錨索+底角錨桿+鋼帶+金屬網”支護

圖1 支護參數圖(正常地段)

掘進巷道遇到斷層等構造破壞帶，圍巖狀況明顯變差，由于加大了頂板及兩幫的支護強度，煤層相對頂底板來說又較硬，上覆巖層垂直壓力則會通過巷道兩幫煤體傳遞到底板巖層中，引起較強烈的底鼓，因此遇到斷層、地質構造時應考慮支護方案調整。可在原有支護設計的基礎上，頂板錨桿排距改為700 mm，并在巷道兩幫底腳各斜向底板打一根φ20×2200 mm左旋無縱筋螺紋鋼預應力錨桿，以充分發揮底角錨桿在底鼓控制中的重要作用，使整個支護體強度和穩定性得到提高。具體支護參數如圖2所示。

圖2 支護參數圖(遇地質構造帶時)

新支護方案在東歡坨3088運輸平巷、回風平巷得到應用，為了檢驗優化方案實施效果，礦壓觀測小組在3088工作面運輸平巷進行了巷道圍巖變形觀測。從觀測結果可知(圖3)，巷道圍巖變形量較小，頂板下沉最大量僅為266 mm，兩幫位移量穩定后達到204mm，變形量及變形速度均在允許范圍之內。上述巷道采用新的支護方案后，杜絕了冒頂現象的發生，減少了折幫、底鼓量，基本不再需要進行擴幫、臥底等工作，降低了軟巖大變形巷道維護工作量，在不需要返修的前提下基本能夠保證巷道斷面的使用要求，保證了工作面生產期間行人及物料的暢通，有利于安全、快速、高效的組織生產。

圖3 巷道圍巖位移曲線圖

6 結論

1)東歡坨8煤層回采巷道，由于埋深較大，頂底板的地質力學特性發生了改變，在采動壓力影響下巷道出現了大變形。高強度錨桿、錨索在該類巷道圍巖內形成剛性自承載結構，鋼帶和金屬網在巷道表面形成柔性支護，其聯合支護能夠擴大圍巖承載圈、縮小圍巖破壞范圍、控制表面圍巖變形，實現有效控制巷道變形的目標。

2)錨桿、錨索等主動支護手段增強了頂板和煤幫的整體性，提高了其自承載能力，使應力峰值向巖體深部轉移，防止錨固區外圍巖離層和塑性區擴展，提高了破碎圍巖的殘余強度，增強了圍巖自身承載能力。

3)針對動壓影響下的深井軟巖巷道，底角錨桿的設置，縮小了底板淺部高應力區范圍，可有效降低底板巖層的應力性底鼓。

［1］ 朱建明，徐金海，張宏濤.圍巖大變形機理及控制技術研究［M］.北京:科學技術出版社，2010

［2］ 何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學［M］.北京:科學技術出版社，2002

［3］ 李玉忠，劉建莊.東歡坨礦動壓煤巷錨桿支護設計與實踐［J］.煤礦現代化，2011(3):7-9

［4］ 康紅普.煤巷錨桿支護成套技術研究與實踐［J］. 巖石力學與工程學報，2005，24(21):3959-3964

［5］ 何滿潮，袁和生.中國煤礦錨桿支護理論與實踐［M］.北京:科學出版社，2004

［6］ 陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1994

［7］ 高謙，劉福軍，趙靜.一次動壓煤礦巷道預應力錨索支護設計與參數優化［J］.巖土力學，2005，26(6):859-864

［8］ 杜計平，侯朝炯.深井破碎圍巖條件下煤巷錨桿構件合理配套［J］.采礦與安全工程學報，2007，24(4):401-404

［9］ 宋明旺，陳占國.錨注技術在斷層破碎帶施工中的應用［J］.水力采煤與管道運輸，2010，(03):39-41

Optimization of Bolt-Mesh-Anchor Combined Support of Large Deformation Coal Entry Affected by Mining of Donghuantuo Mine

ZHANG Xianfeng

(Kailuan(Group)Limited Liability Corporation，Tangshan Hebei 063000)

this paper analyses the surrounding rock weak structure deformation and bolting support mechanism in order to resolve the serious deformation of the coal entry in Donghuantuo Coal Mine，makes overall investigation on the deformation characteristics of surrounding rock under the influence of mining.The bolt-mesh-anchor support parameters are optimized.In addition，the design scheme of bolt-mesh-anchor combined support is put forward:bolting supports enhance the self-bearing capacity、the floor corner bolts play an important role in controlling the heave、the anchor cable supports reduce the tensile stress area、the flexible structure are formed by metal mesh.The observation results in the field show that the bolt-mesh-anchor combined support can achieve the effective support of the large deformation coal entry with soft roof and floor.The technical measures described in this paper provide a reference for the mines with similar geological conditions.

roadways affected by mining;bolt-mesh-anchor combined support;large deformation;optimization design

TD 353+.6

A

1672-7169(2012)03-0006-05

2012-05-11

張顯峰(1957-)，男，大學畢業，開灤(集團)有限責任公司高級工程師。