厚層堅硬直接頂巷道大排距錨桿支護方案設計

李勝偉

（冀中能源邢臺礦業集團有限責任公司金谷煤業，山西 臨汾 042499）

1 工程概況

金谷煤礦9#、10#煤層間距極小，中間僅有一層夾矸，矸厚0.8～1.35m，兩層煤總厚度在3.0～3.9m之間，平均3.45m，故采用聯合開采，為目前主采煤層。煤層賦存比較穩定，傾角僅4°左右，瓦斯含量低。根據前期巖石力學性能測試結果，煤層的普氏系數達到2～3，中部0.95m左右夾矸的普氏系數亦在2以上，屬于中硬煤。

煤層直接頂為淺灰～深灰生物碎屑灰巖，厚度7.2～10.25m，平均8.72m，層位、厚度穩定，巖石單軸抗壓強度40～65MPa之間，普氏系數4.0～6.5，屬于中硬巖或硬巖，抗壓、抗剪強度較高；直接底為深灰色、灰黑色泥巖、砂巖互層，厚度3.1～4.45m，性脆、易碎，局部發育10#下煤、10#下下煤，厚約0.5m。

10900回風順槽為9+10#煤層服務，總長度為1028m，巷道斷面寬×高=4.2m×3.2m。距地表深度為50～165m。以10900回風順槽為研究對象，結合相鄰10901工作面采取的支護方案，通過數值模擬和理論分析，對錨桿（索）的長度、直徑、配件材料等支護參數進行優化，實施大排距錨桿支護技術，減少支護材料用量，提高巷道掘進速度。

2 現有支護方式評價

根據對相鄰10901工作面的調研情況，現有支護形式及參數能夠較好控制巷道圍巖變形，但從支護效能與掘進速度兩方面考慮，仍存在以下問題：

（1）支護效能低。金谷煤礦9+10#煤層平均埋深僅為100m左右，巷道屬于典型淺埋厚層堅硬頂板半煤巖巷道，巷道地壓約為2.5MPa。目前采取的支護方案中，錨桿支護強度在0.15～0.2MPa以上，錨索破斷力在30t以上，整體支護強度存在明顯富余，支護系統效能浪費較大。

（2）預緊力不足。10901工作面順槽頂板及實體煤幫部均存在網兜現象，巷道圍巖的擴容現象未得到有效控制，表明錨桿、錨索的預緊力不足。現場進行的扭矩試驗也發現，錨桿扭矩未轉換成相應的預緊力。

（3）護表材料剛度低。現場施工采用鋼塑網對頂板及兩幫進行護表，剛度較低，不能將錨桿、錨索的預緊力有效地擴散到巷道表面，進一步造成了錨桿、錨索的支護效能浪費。

3 數值模擬

3.1 模型建立

針對10900回風順槽圍巖賦存情況，采用FLAC3D建立數值分析模型。模型尺寸為寬×高=34.5m×37.5m，在中間開挖回風順槽，不進行支護，斷面設計為矩形，尺寸為寬×高=4.2m×3.2m。根據巷道埋深，在模型上邊界施加自重2.5MPa，前后左右施加水平應力，并以25kPa/m的梯度遞減。巖石力學參數如表1所示。

表1 煤巖體力學參數

3.2 模擬結果分析

3.2.1 圍巖位移

巷道開挖后，圍巖垂直位移和水平位移如圖1所示。

圖1 圍巖位移分布圖

由圖1（a）可知，巷道頂板下沉量相比底鼓量要小得多，因為煤層頂板為厚層堅硬灰巖，剛度比較大，不易產生下沉變形，而底板相對較軟，容易產生底鼓。因此，在巷道支護時，要加強底鼓的控制。由圖1（b）可知，巷道幫部變形較大，頂底板幾乎未發生水平位移。因此，巷道開挖后要及時對幫部進行支護。

3.2.2 圍巖塑性區

巷道開挖后，圍巖塑性區分布如圖2所示。

圖2 圍巖塑性區分布圖

巷道開挖后必然會在周圍產生塑性圈，其通常呈近圓形分布。但根據圖2結果，此類地質條件下的巷道幫部塑性區范圍比頂底板大得多，并且頂板塑性區發育最少。這是因為厚層堅硬直接頂未發生明顯破壞，有效控制了上覆巖層的變形。但由于厚層堅硬頂板形變未能得到釋放，使得巷道兩幫承受更大的壓力，變形嚴重。因此，需要加強巷道幫部的支護強度，提高巷道整體穩定性。

4 支護方案設計

根據10900回風順槽斷面形狀、賦存條件及上述分析結果，對回風順槽的支護方案進行優化設計，形成“高強度、高剛度、低密度”的大排距巷道錨網支護方案，如圖3所示。

圖3 巷道支護形式示意圖

（1）頂板施工4根Φ18×1800mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距1200×1000mm；每幫施工3根Φ18×1800mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距1100×1000mm。錨桿每孔裝一根CK2335樹脂錨固劑和一根Z2350樹脂錨固劑。

（2）開口前5m范圍采用2根Φ17.8×6300mm錨索加固，間排距2000×2400mm。錨索每孔裝一根CK2335樹脂錨固劑和兩根Z2350樹脂錨固劑。

（3）采用4.2m和2.8m H型鋼筋梁，網片選用Φ4mm焊網。

（4）錨桿安設角度：頂錨桿中間垂直于頂板，兩肩錨桿與鉛垂線呈15～20°夾角，幫錨桿中間垂直于巷幫，兩側錨桿與水平線呈15～20°夾角。

（5）錨桿預緊力40～60kN，錨索初始張拉力不小于80～120kN。

5 結語

9+10#煤層埋深淺，礦壓顯現不劇烈，現有的支護方案支護密度大、強度過高，但支護構件的性能未得到充分發揮，支護效能低。根據10900回風順槽的工程地質條件，在數值模擬的基礎上，優化了錨桿數量、直徑及護表構件，制定了“高強度、高剛度、低密度”的大排距巷道錨網支護方案。從后期實踐效果來看，該方案有效控制了巷道在掘進和回采全過程中的變形，降低了支護成本，并大大提高了巷道掘進速度，值得借鑒推廣。