王建東

（鄭州煤炭工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000）

裴溝煤礦自建礦以來，煤巷掘進普遍采用礦工鋼和36U型鋼支護，由于受滑動構(gòu)造影響，巷道壓力變大，采用U型鋼支護不能有效控制巷道變形，造成巷道維修工程量大，采掘接替緊張，成本增加。錨桿支護能有效解決巷道由被動支護變主動支護的問題，施工速度快、勞動強度低，巷道變形量小，降低煤炭開采成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

1 概況

裴溝煤礦主采煤層為二疊系下部二1煤層，二1煤層及其頂?shù)装遒x存松軟，屬于典型的“豫西”三軟不穩(wěn)定煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，傾角9～21°、平均傾角15°，厚度0.3～7.3m、平均3.8m，煤層硬度系數(shù)約為0.15左右；煤層直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度4.3m左右；直接頂為中粒砂巖、平均厚度13.7m左右，硬度系數(shù)5～7。

2 支護參數(shù)設(shè)計

2.1 巷道頂、幫破壞深度計算

巷道掘進后煤幫最大破壞深度C、頂板最大破壞深度b由式（1）、（2）計算得到：

式中：

C-煤幫最大破壞深度，m；

b-頂板巖層最大破壞深度，m；

Kc-周圍巷道擾動系數(shù)，實體煤巷道取1，沿空巷道取1.5；

γ-上覆巖層平均重力密度，kN/m3；

H-巷道埋深，m；

fc-煤層硬度系數(shù)；

h-煤層厚度或巷道輪廓范圍內(nèi)煤夾層的厚度，m；

φ-煤體內(nèi)摩擦角，（o）；

a-巷道的半跨距，m；

α-煤層傾角，（o）；

kv-錨巖層的穩(wěn)定性系數(shù)；

fn-錨固巖層的硬度系數(shù)。

巷道斷面形狀為直墻斜頂矩形：凈寬×中高=4.7×3.5m。巷道平均埋深約637m，上覆巖層平均重力密度取25kN/m3。巷道周邊擠壓應(yīng)力集中系數(shù)取1.5。巷道范圍煤層厚度取1.5m，煤層硬度系數(shù)取0.2，煤層傾角取15°，煤層內(nèi)摩擦角取15°。同時，煤層直接頂為大占砂巖，硬度系數(shù)取6.0，穩(wěn)定性系數(shù)取0.95。將相關(guān)參數(shù)代入得：

2.2 頂板錨索設(shè)計長度計算

巷道頂板錨索設(shè)計長度Ld由式（3）確定：

式中：

b-頂板巖層最大破壞深度，m；

s-錨索錨入頂板圍巖破壞范圍之外的深度與外露長度之和，s取值應(yīng)≥1.3m。

將相關(guān)參數(shù)代入式（3），得到：

頂板錨索理論計算長度為3.9m，參考我礦相似地質(zhì)條件下礦壓顯現(xiàn)情況，巷道未發(fā)生明顯變形，滿足使用要求。在本設(shè)計中錨索長度確定為5.2m。

2.3 頂板錨索懸吊巖層重量計算

按倒楔形冒落理論,沿巷道單位長度頂板懸吊載荷的計算方法為:

式中：

γ-懸吊巖層重力密度，取25kN/m3；

R-巷道跨度，m；

b-頂板最大破壞深度，m；

B-表征采動影響程度的無因次參數(shù)，根據(jù)采動影響程度不同取值范圍在1.5～2.5之間，根據(jù)我礦工作面回采順槽頂板冒落高度情況，本設(shè)計取2。

將相關(guān)參數(shù)代入式（4），得到:

2.4 頂板錨索支護密度計算

單根錨索錨固力P由式（5）計算得到：

式中：

d-錨索索體直徑，取d=0.0178m；

fn-錨固巖層的硬度系數(shù)，取fn=6.0；

σt-錨索桿體極限抗拉強度，預(yù)應(yīng)力鋼絞線取1860MPa。

將相關(guān)參數(shù)代入式（5），得到：

每米巷道頂板錨索數(shù)量N由式（6）計算得到：

式中：

K-安全系數(shù)，取2.0；

W-每米巷道頂板錨索懸吊巖層重量，kN/m；

P-單根錨索錨固力，kN。

將相關(guān)參數(shù)代入式（6），得到：

N=2×364/346.96 =2.1

理論計算每米巷道錨索用量為2.1根。在施工時錨索按照“3-1”布置，兩排1.6m范圍內(nèi)布置4根，平均每米巷道有2.5根錨索，大于理論計算每米巷道內(nèi)2.1根。

3 錨網(wǎng)索支護技術(shù)方案

掘巷后施工錨網(wǎng)支護，控制巷道淺部圍巖的松動、擴容，利用錨桿支護形成巷道淺部承載結(jié)構(gòu)，在關(guān)鍵承載區(qū)即巷中位置附近施工錨索，利用錨索將巷道淺部圍巖中形成的錨網(wǎng)承載結(jié)構(gòu)錨固至深部穩(wěn)定巖體上，實現(xiàn)對巷道圍巖結(jié)構(gòu)的強化。

（1）頂板支護：巷道頂板采用錨桿、錨索配合鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯子梁聯(lián)合支護，其中，頂板布置7根左旋無縱筋錨桿，錨桿規(guī)格為Ф20×2400mm，錨桿間排 距 為800×800mm，托盤規(guī)格為Ф10×140×140mm。每孔采用一節(jié)K2350型快速樹脂錨固劑和一節(jié)Z2350型中速樹脂錨固劑加長錨固，錨桿錨固力不低于70kN，預(yù)緊力矩不小于260N·m。鋼筋網(wǎng)規(guī)格：Ф6.5×1000mm×2000mm。

頂板錨索呈“3-1-3”布置，錨索采用Ф17.8×5200mm1860鋼絞線，每孔采用一節(jié)K2350型快速樹脂錨固劑和兩節(jié)Z2350型快速樹脂錨固劑錨固。錨索預(yù)緊力不低于100kN（21MPa），錨固力不低于260kN。

（2）兩幫支護：巷道上幫采用6根Ф20×2000mm通絲螺紋鋼錨桿配合鋼筋梯子梁聯(lián)合支護，下幫采用4根Ф20×2000mm通絲螺紋鋼錨桿。錨桿間排距為800×800mm，每孔采用一節(jié)K2350型快速樹脂錨固劑和一節(jié)Z2350型中速樹脂錨固劑加長錨固。其中，煤體中錨桿預(yù)緊力矩不低于200N·m；巖體中錨桿錨固力不低于70kN，預(yù)緊力矩不小于260N·m。

煤體中采用硬質(zhì)塑料網(wǎng)和鋼筋網(wǎng)護表，巖體中采用單層鋼筋網(wǎng)護表。

圖1 支護斷面圖A

4 礦壓觀測數(shù)據(jù)分析

4.1 圍巖表面的相對位移量

下圖是13101上順槽錨網(wǎng)索支護施工結(jié)束后至回采期間圍巖表面的相對位移量。巷道兩幫總變形量在90mm左右，變形平均速率在0.47mm/d，頂?shù)装逑鄬ξ灰屏烤?30mm左右，變形平均速率為0.68mm/d。由下圖可以看出，采用新型支護技術(shù)后，巷道的兩幫位移速度在60天左右圍巖變形基本處于穩(wěn)定，圍巖移動變形得到有效控制。

圖2 支護斷面圖B

圖3 圍巖表面相對移近量

4.2 頂板離層儀及錨索測力計受力分析

13101上順槽150m錨網(wǎng)索支護段安裝了3個頂板離層儀及5個錨索測力計。頂板離層儀為使用錨桿鉆機及風(fēng)鉆配合安裝，鋼絲線深入巖層10m，之后用風(fēng)鉆擴孔口，再進行安裝。頂板離層儀測桿量程為0～200mm，通過觀測，安裝初期，頂板離層儀頻率值逐步變大，在安裝一月時間后，頻率值逐步穩(wěn)定，通過計算，三處頂板下沉量分別穩(wěn)定在105mm、111mm、118mm，變化幅度不大。錨索測力計安裝在托盤及鎖具之間，通過讀數(shù)，錨索的初始預(yù)緊力在6T左右，后期錨索受力不斷增加，最后穩(wěn)定在18T左右，表明巷道頂板圍巖變形趨于穩(wěn)定。

5 經(jīng)濟效益

在相同斷面下，每米支護費用為：36U型鋼支護費用為6940元，錨網(wǎng)索支護費用為2144元。后者比前者每米材料消耗降低4796元，在經(jīng)濟方面減少了生產(chǎn)成本投入，錨網(wǎng)索支護優(yōu)于架棚支護。

在進尺方面，原采用36U型鋼支護，棚距0.6m，每班掘進進尺為0.6×2=1.2m，日進尺3.6m，月進尺108m；采用錨網(wǎng)索支護，錨桿排距0.8m，每班掘進進尺為0.8×2=1.6m，日進尺4.8m，月進尺144m。采用錨網(wǎng)索支護提高了掘進速度，有效緩解采掘接替，實現(xiàn)礦井的高產(chǎn)高效。