深部采區煤上山巷道錨網支護設計研究

孫樂樂，衛豪杰，李 川

（1.淮河能源礦業(集團)有限責任公司煤業公司，安徽 淮南；2.安徽理工大學礦業工程學院，安徽 淮南)

1 工程概況

1.1 煤層情況

張集礦區位于謝橋向斜北翼，主要可采煤層有：1、6、8、11-2、13-1 煤層，次要可采煤層9 層。研究區域11-2 煤層，厚度為2.7 m～3.3 m，平均3 m，黑色，以塊狀、碎塊狀為主，局部呈粉末狀，內生裂隙發育，中部賦存一層夾矸，以泥巖為主，厚0.3 m 左右，總體傾角3～8°，平均5°。

1.2 水文地質情況

11-2 煤層頂板砂巖裂隙水具有不均勻性，多以淋滴水為主，個別出水點最大出水量為20 m3/h。

1.3 巷道圍巖賦存條件

巷道直接頂、底為砂質泥巖，灰～淺灰色，砂泥質結構，砂質含量不均。抗壓強度26.08 Mpa，抗拉強度0.67 Mpa。根據地質資料，C 組煤采區11-2 煤頂板為Ⅲ類中等穩定巖層；底板為Ⅲ類中等穩定巖層。東三11-2 煤層采區回風上山適合錨索網支護。

2 支護參數理論設計

2.1 支護斷面

根據淮南礦區支護經驗和煤巖層傾角，回采巷道設計斷面為近矩形[1-3]：凈寬×凈高=5.4 m×3.7 m。

2.2 頂板錨桿支護參數

2.2.1 頂板破碎帶高度D

具體參數取值見表1，計算破碎帶高度為0.8 m。

2.2.2 錨桿長度

具體參數見表1，將數值代入式（3）得錨桿長度為1.4m。參考現有支護狀況和礦壓觀測情況[4]，設計頂板，幫部錨桿長度選擇大于1.4 m 即可，選用錨桿長度2.5 m，直徑Φ20 mm，符合要求。

2.2.3 錨桿錨固力與錨固長度

2.2.3.1 錨桿錨固力

根據桿體承載力與錨固力等強度原則：

具體參數取值見表1，由式（4）計算結果可知：頂板，幫部單根錨桿錨固力至少為105.19 KN。

2.2.3.2 錨桿錨固長度

根據《淮南礦區錨桿支護技術管理規范》，錨桿采用Ф20 mm、L=2 500 mm。

公式（5）中參數的選取依據P =Ldπ p及作用力與反作用力。具體參數取值見表1，頂板，幫部實際錨固長度為700 mm＞163.3 mm，滿足需求。

2.2.4 支護密度及間排距

具體參數取值見表1，由式（6）得PS=0.33 根/m2,取頂板錨桿間距0.75 m，則排距為：

參考巷道現有支護狀況，設計頂板，幫部錨桿間排距為750 mm×900 mm，滿足要求。

2.2.5 錨桿托盤

選用M 形金屬托盤[5]，托盤強度要不低于165 KN。托盤用屈服強度大于235 Mpa 的鋼材加工，厚度不小于8 mm，其中心孔直徑24 mm。

故頂板，幫部錨桿支護參數如下：錨桿選材為：Φ20 mm、L=2 500 mm 左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為750 mm×900 mm，錨固力不得小于100 KN。

2.3 錨索支護參數

2.3.1 冒落拱高度計算

計算冒落拱高度0.79 m。

2.3.2 錨索長度

計算得錨索的長度2.29 m。選用6.3 m 滿足要求。

2.3.3 錨索間排距的確定根據懸吊理論計算

由式（9）得Ps=0.48 根/m2，取頂板錨索間距1 m。則排距為=2.08m。錨索間排距取1 100 mm×900 mm，滿足理論計算要求。

2.3.4 錨索布置方式

11-2 煤采區工作面回風上山采用錨梁網（索）進行支護[6]，斷面為矩形斷面，尺寸為5 400 mm×3 700 mm。頂板，幫部錨桿均采用Ф20 mm×2 500 mm，間排距為750 mm×900 mm；錨索規格為Ф=22 mm×6 300 mm，間排距為1 100 mm×900 mm，3-3-0 布置。

3 支護方案優化

3.1 幫部支護方案優化

如表2 所示為具體的幫部支護方案優化。

表2 幫部支護方案優化

如圖1 所示，選擇方案一時，巷道圍巖塑性破壞范圍較大，兩幫為1.85 m，頂板為1.14 m，底板為1.12 m；在方案二與方案三支護情況下，巷道圍巖塑性破壞范圍較小，兩幫分別為1.45 m、1.36 m，頂板分別為1.08 m、1.02 m，底板分別為1.11 m、1.03 m，兩者相差不大。綜合考慮安全因素與經濟效益，選定方案二作為巷道幫部支護方案。

圖1 巷幫錨桿支護方案與巷道圍巖變形量關系

3.2 頂板支護方案優化

如圖2 所示，選擇方案一時，巷道圍巖塑性破壞范圍較大，兩幫為1.48 m，頂板為1.08 m，底板為1.12 m；在方案二與方案三支護情況下，巷道圍巖塑性破壞范圍較小，兩幫分別為1.43 m、1.38 m，頂板分別為0.82 m、0.74 m，底板分別為1.02 m、0.98 m，兩者相差不大。綜合考慮安全因素與經濟效益，選定方案二作為巷道頂板支護方案。

圖2 頂板支護方案與巷道圍巖塑性區破壞范圍關系

如表3 所示為具體的頂板支護方案優化。

表3 頂板支護方案優化

3.3 錨索支護方案優化

如表4 所示為具體的錨索支護方案優化。

表4 錨索支護方案優化

如圖3 所示，選擇方案一時，巷道圍巖塑性破壞范圍較大，兩幫為1.48 m，頂板為0.8 m，底板為1.12 m；在方案二與方案三支護情況下，巷道圍巖塑性破壞范圍較小，兩幫分別為1.14 m、1.11 m，頂板分別為0.6 m、0.53 m，底板分別為1.02 m、0.88 m；綜合考慮選定方案二為巷道幫部支護方案。

圖3 錨索支護方案與巷道圍巖塑性區破壞范圍關系

4 11-2 煤層回風上山錨桿索支護方案

4.1 頂板支護

頂板支護結構第一部分由錨桿和M5 鋼帶組成。每根M5 鋼帶上安裝7 根錨桿，頂板錨桿規格：Φ20×2 500 mm，頂板鋼帶長度為4 800 mm。

第二部分由14#槽鋼和錨索組成。頂板錨索采用“3-3-0”布置，均使用2 600 mm 長14#槽鋼，錨索規格為：Φ22×6 300 mm。

第三部分是金屬網，采用10#金屬網。網應封閉頂幫巖煤體，相鄰網搭接長度不得低于100 mm，連網扎扣間距不超過200 mm。

4.2 幫部支護

幫部支護結構第一部分由錨桿和M5 鋼帶組成。幫部鋼帶采用豎直布置，長度為2 500 mm，其上布置5 根錨桿；巷幫錨桿規格：Φ20×2 500 mm。

第二部分是10#金屬網。幫部網至底角，網應封閉頂幫巖媒體，相鄰網搭接長度不得低于100 mm，連網扎扣間距不超過200 mm。

5 實際應用效果

經現場實測，在運用該改進方案后，11-2 煤采區回風上山的支護效果與改良前效果相當，頂底板的圍巖支護條件得到了改善，巷道頂底板及兩幫移近量與錨桿（索）載荷逐漸上升并最終穩定。巷道圍巖變形在可控范圍內，初始支護設計方案能夠滿足安全支護需要，考慮本巷道用途及使用年限比較短，支護設計支護參數還可進行適當調整。

6 結論

（1）根據相關地質資料，C 組煤采區11-2 煤頂板為Ⅲ類中等穩定巖層；底板為Ⅲ類中等穩定巖層。東三11-2 煤層采區回風上山適合采用錨索網支護。

（2）基于計算的支護參數提出具體支護方案為：頂板采用M5 鋼帶上安裝7 根錨桿加"3-3-0"布置錨索和10#金屬網聯合支護，幫部支護采用M5 鋼帶上布置5 根錨桿和10#金屬網聯合支護。

（3）經實測，優化后的支護方案滿足巷道使用要求，適當減少錨桿用量的同時能達到支護要求,能大幅減短支護耗時,提升掘進速度，提高礦山的效益。