高瓦斯礦井綜采工作面瓦斯抽采巷錨桿支護優化設計

趙仕元

(山西焦煤汾西礦業集團雙柳煤礦，山西柳林033300)

0 引言

汾西礦業集團公司雙柳井田位于柳林縣孟門鎮白家焉村，在離柳礦區三交三號井開發二疊系山西組下段頂部(3 +4)#合并層煤，煤層平均厚度3.42 m，屬于高瓦斯礦井。煤層開采采用常規的三巷布置方式。用于回風的順槽兼作抽放瓦斯的專用巷道，也稱作瓦斯抽采巷。瓦斯抽采巷既作為本工作面回風巷道使用，同時還承擔下個工作面的材料運輸任務，作為材料巷道應用。

1 雙柳礦瓦斯抽采巷支護現狀

近年來，雙柳礦井的開采逐步向深部發展，礦井的地壓不斷增大，巷道圍巖壓力顯現強烈。盡管此前開展過相關瓦斯抽采巷支護技術的研究工作，但是由于礦井開采向深部發展，而且開采煤層地質條件也比淺部復雜，再加之巷道斷面加大，瓦斯抽采巷表現出新的變形特征和破壞模式。根據井下調研和實地反映，主要表現在以下方面。

1)巷道兩幫整體移出。特別是煤柱幫，造成巷道斷面嚴重收縮，不能滿足材料運輸、以及行人和通風的使用要求，巷道的有效斷面使用率降低。

2)巷道底鼓嚴重。嚴重地段底鼓量高達1 000 mm 以上，嚴重制約礦井的安全生產。

3)巷道頂板整體下沉。頂板下沉量比較大，局部冒頂變形嚴重，嚴重影響到巷道的回采使用。

2 瓦斯抽采巷原有支護方案

瓦斯抽采巷頂板采用錨-網-鋼筋托梁聯合支護，錨索補強加固;幫部采用圓鋼錨桿-金屬網-鋼筋托梁疊加支護，其中最下排錨桿配合W 托板支護。

1)瓦斯抽采巷頂部采用φ20 mm×L2 400 mm 螺紋鋼錨桿配合鋼筋托梁疊加支護，每根螺紋鋼錨桿配套使用1 支K2355，1 支Z2355 型樹脂錨固劑。頂部錨桿呈矩形布置，除2根邊角錨桿呈75°向幫內傾斜外，其余均垂直于頂板布置。頂錨桿間排距為850 mm ×1 000 mm，每排布置5 根。托盤均采用冷沖鋼托盤，鋼筋托梁規格:φ14 -60 -850 -1 150 mm。

2)瓦斯抽采巷幫錨桿采用 φ18 mm × L1 800 mm 圓鋼錨桿，配合長φ14 -60 -850 -1 150 mm 的鋼筋托梁疊加支護，最下排錨桿配合使用400 mm×165 mm ×3 mm 的w 鋼托板豎放支護;每根錨桿配套使用1 支K3537 型樹脂錨固劑;錨桿間排距為850 mm ×1 000 mm，均呈矩形布置，垂直于兩幫，每排均布置2 ×4 根，支護時最上一排錨桿距頂均為200 mm，幫錨桿滯后頂錨桿500 mm，最下一排幫錨桿距迎頭頂錨桿不超過2排，幫部松軟時必須緊跟迎頭。

3)錨索采用 φ15.24 mm ×L6 400 mm 的鋼絞線，配合［12×L3 000 mm，孔間距為2 400 mm 的槽鋼聯合支護，每根錨索配套使用K2355、Z2355 型錨固劑各1 支，錨索順巷道軸向布置，沿巷中線兩側700 mm 各布置一排，排內錨索間距為2 400 mm，相鄰交錯錨索錯距1 200 mm。錨索滯后工作面迎頭的距離不超過13 m，頂板壓力大，礦壓現象明顯時緊跟工作面迎頭。

4)瓦斯抽采巷鋪設網片采用規格為長×寬=11 m×1.1 m的雙抗網，網孔規格45 mm ×45 mm。瓦斯抽采巷錨桿支護設計見圖1。

圖1 瓦斯抽采巷原有支護設計方案

3 瓦斯抽采巷原有支護方案存在主要問題

針對雙柳礦瓦斯抽采巷支護現狀，并進行了井下實地調研和考察，以及細致分析了瓦斯抽采巷現有支護方案，總結認為瓦斯抽采巷支護主要存在以下不足之處。

1)錨桿的初期預緊力偏低。雙柳礦錨桿支護過程中給錨桿施加預緊力，主要是依靠MQT—120 錨桿鉆機自身的輸出扭矩，以及附加人工操作扭矩扳手實施。MQT—120 錨桿鉆機輸出扭矩為100 N·m，轉化成預緊力為10 kN，而人工再使用扳手施加預緊力更是有限的，因此，錨桿的初始預緊力最大不超過10 kN。

2)錨桿的預緊力擴散程度偏低。錨桿支護的優勢是主動及時，但錨桿支護的作用效果表現在錨桿的整體支護上，錨桿整體支護作用的發揮體現在錨桿預應力能否有效大面積的擴散。只有單根錨桿的預應力都得到有效大面積的擴散，那么整個錨桿群的預應力擴散形成有效的大面積壓應力區，才能發揮錨桿整體支護的功能。實現錨桿預應力的有效擴散主要有兩個途徑:一是通過有效途徑給錨桿施加較大的預緊力;二是通過托板、鋼帶等構件實現錨桿預應力的有效擴散。雙柳礦瓦斯抽采巷原有巷道頂板輔助構件主要使用鋼筋托梁，而不是鋼帶，鋼筋托梁傳遞錨桿預應力的效果要大大低于鋼帶，這是造成錨桿預應力擴散程度低的主要原因。

3)巷幫的支護強度偏低。雙柳礦瓦斯抽采巷變形破壞的主要特征是巷幫整體移近，說明支護對巷幫的控制相對較弱，致使巷幫發生整體移近。我礦原有瓦斯抽采巷巷幫主要采用φ18 的圓鋼錨桿支護，特別是煤柱幫也采用圓鋼錨桿。瓦斯抽采巷是經受多次動壓復用的巷道，兩幫的支護強度必須加強。

4)巷道整體的支護強度偏低。雙柳礦瓦斯抽采巷變形破壞主要表現為頂板整體下沉，局部冒頂嚴重，兩幫整體移近以及巷道嚴重底鼓等礦壓顯現特征，出現這些影響礦井安全生產的負面現象有很多因素，單從支護的角度來講，主要是巷道的支護強度偏低造成。由于支護強度偏低，沒有控制住巷道受到強烈動壓影響后圍巖變形破壞的作用，從而導致巷道出現上述破壞特征。

4 支護方案優化設計

4.1 設計原則

根據雙柳礦瓦斯抽采巷變形破壞特征，以及參考巷道原有支護設計方案，提出優化設計方案的設計原則。

1)一次支護原則。錨桿支護應盡量一次支護就能有效控制圍巖變形，避免二次或多次支護。一方面，這是礦井實現高效、安全生產的要求，為采礦服務的巷道和硐室等工程，需要保持長期穩定，不能經常維修;另一方面，這是錨桿支護本身的作用原理決定的。巷道圍巖一旦揭露立即進行錨桿支護效果最佳，而在已發生離層、破壞的圍巖中安裝錨桿，支護效果會受到顯著影響。

2)高預應力和預應力擴散原則。預應力是錨桿支護中的關鍵因素，是區別錨桿支護是被動支護還是主動支護的參數，只有高預應力的錨桿支護才是真正的主動支護，才能充分發揮錨桿支護的作用。一方面，要采取有效措施給錨桿施加較大的預應力;另一方面，通過托板、鋼帶等構件實現錨桿預應力的擴散，擴大預應力的作用范圍，提高錨固體的整體剛度與完整性。

3)“三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在提高錨桿強度(如加大錨桿直徑或提高桿體材料的強度)、剛度(提高錨桿預應力、加長或全長錨固)，保證支護系統可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數量，提高掘進速度。

4)臨界支護強度與剛度原則。錨桿支護系統存在臨界支護強度與剛度，如果支護強度與剛度低于臨界值，巷道將長期處于不穩定狀態，圍巖變形與破壞得不到有效控制。因此，設計錨桿支護系統的強度與剛度應大于臨界值。

5)相互匹配原則。錨桿各構件，包括托板、螺母、鋼帶等的參數與力學性能應相互匹配，錨桿與錨索的參數與力學性能應相互匹配，以最大限度地發揮錨桿支護的整體支護作用。

6)可操作性原則。提供的錨桿支護設計應具有可操作性，有利于井下施工管理和掘進速度的提高。

7)在保證巷道支護效果和安全程度，技術上可行、施工上可操作的條件下，做到經濟合理，有利于降低巷道支護綜合成本。

4.2 巷道支護方案

4.2.1 33403 工作面概況

雙柳煤礦33403 工作面主采屬二疊系山西組下段頂部(3+4)#煤煤層，煤層總厚2.47 ～4.0 m，平均厚度3.42 m;該煤層區內穩定，結構復雜，含兩層左右黑色泥巖夾矸層;煤層傾角0 ～10°，平均4°。開采的(3 +4)#煤層偽頂:泥巖，局部發育，灰黑色，厚度0.5 m;直接頂:砂巖、砂質泥巖，由下至上灰白色—灰黑色，粒度由粗—中粒變為細粒，水平層理，含砂均勻，夾粉砂巖條帶，厚度12.94 ～15.53 m，均厚13.4 m。老頂:K4砂巖，灰白色粗粒砂巖，厚度4.4 m。直接底:砂質泥巖為主，發育斜裂隙，半堅硬，厚度5.65 m。

4.2.2 斷面設計

考慮到33403 工作面瓦斯抽采巷在掘進過程中設備尺寸，通風要求和巷道圍巖變形預留量，設計33403 工作面瓦斯抽采巷尺寸如下:斷面為矩形，巷道寬4 600 mm，高3 000 mm，掘進斷面為13.8 m2。

4.2.3 支護方案

經理論分析結果，再結合工程類比分析，確定33403 工作面瓦斯抽采巷錨桿支護初始設計如下:巷道采用樹脂加長錨固錨桿組合支護系統，并進行錨索補強。

1)頂板支護。

錨桿形式和規格:桿體為20# 左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4 m，桿尾螺紋為M22。

錨固方式:樹脂加長錨固，采用2 支錨固劑，1 支規格為K2355，另1 支規格為Z2355。鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1 500 mm。

錨桿初始預緊力:設計初始預緊力為300 N·m。

W 鋼帶規格:采用厚3 mm 的鋼板滾壓而成，寬度280 mm，長度4.2 m。

托盤:采用拱型高強度托盤，托板規格為130 mm×130 mm×10 mm。

錨桿布置:錨桿排距1 000 mm，每排5 根錨桿，間距1 000 mm。

錨索:單根鋼絞線，φ17.8 mm，長度6.4 m，加長錨固，采用3 支錨固劑，1 支規格為K2355，兩支規格為Z2355。每排2 根，間距為1.8 m，排距為2.0 m。托板規格為300 mm×300 mm×16 mm。

2)巷幫支護(兩幫支護完全相同)。

錨桿形式和規格:桿體為20# 左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.0 m，桿尾螺紋為M22。

錨固方式:樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，1 支規格為K2355，另1 支規格為Z2355。鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1 300 mm。

錨桿初始預緊力:設計初始預緊力為300 N·m。

托盤:采用拱型高強度托盤，托板規格為130 mm×130 mm×10 mm。

W 型護板規格:采用厚3 mm，寬280 mm 底鋼板滾壓而成，長度400 mm。

錨桿布置:錨桿排距1 000 mm，每排3 根錨桿，間距1 000 mm。

巷道網片采用雙抗網，規格為10 m×1.1 m。

33403 工作面瓦斯抽采巷錨桿支護布置見圖2。

圖2 綜采33403 工作面瓦斯抽采巷錨桿支護優化設計圖

5 運用效果分析

目前，33403 綜采工作面已采完，通過33403 瓦斯抽采巷實測，發現該瓦斯抽采巷無頂板下沉、底臌、兩幫收縮、頂幫失效錨桿等現象，該瓦斯抽采巷完全可以作為下一個工作面33405綜采工作面材料巷。

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