松软厚煤层支护技术

刘新坤 王爱国 宋广成

（通化矿务局 吉林省白山市 134300）

松软厚煤层支护技术

刘新坤 王爱国 宋广成

（通化矿务局 吉林省白山市 134300）

临江市永安煤业有限责任公司为了解决松软厚煤层的支护问题，会同辽宁工程技术大学共同选择了锚杆、锚索、金属网、钢筋梯联合支护设计，并对现场的实际支护参数进行了测定，分析巷道表面位移、离层等矿压数据，总结出锚杆、锚索、金属网、钢筋梯联合支护这一项成功的支护技术。

松软厚煤层掘进；联合支护；锚杆；锚索；金属网；钢筋梯

1 概况及自然条件

临江市永安煤业有限责任公司+100东二石门区，位于三采区+100～+160东部，东起F5号断层，西至采区边界，下起+100标高，上至+160标高，平均走向长360 m，平均倾斜长145 m。该区地表标高为+790～+800，垂深640 m。该区地质构造比较简单，区内没有大的断层，经+160控制有一走向断层，落差2 m～3 m。原采区控制有一斜切逆断层，落差3 m。该区煤层为3层煤，分上下2层，中间以黄砂岩为界。黄砂岩厚度为0.1 m～0.5 m，平均0.3 m。煤层结构复杂，黄砂岩上煤层中有2～3层夹石，以下有3～4层夹石，夹石累计厚度1.64 m；煤层总厚度累计最大8.6 m，最小5.5 m，平均7.0 m；煤层倾角最大29°，最小21°，平均25°。顶底板情况见图1。

图1 综合柱状图

煤层易冒落，遇水膨胀，有底臌现象。巷道压力大，巷道稳定性属Ⅲ、Ⅳ类。该区巷道均沿煤层底板掘送。在+100东二石门掘送集中上山，其断面为拱形，宽4 m，高3.2 m。回采面上、下顺槽均在集中上山开口。图2为综采工作面设计平面图及剖面图（见图 2）。

图2 综采工作面设计平面及剖面

2 支护设计与参数

由辽宁工程技术大学在我公司进行的矿井煤层物理力学性质测定结果，应用工程类比法确定我公司煤巷锚杆支护参数的初始设计。其理论依据主要是锚杆支护的组合梁和悬吊理论，其设计过程采用了动态信息法。针对巷道的维护特点，经过初始设计、施工监测、信息反馈和多次修正，确定了巷道的锚杆支护设计和参数。

巷道按照回采工艺和设备布置要求，其形状尺寸及支护设计见图3。

图3 支护断面示意及断面展开

2.1 工作面巷道锚杆+锚索+金属网+钢筋梯联合支护初始数据

①锚杆采用等强度螺纹钢，锚杆直径18 mm。

②锚杆长度L=2.0 m。

③锚杆间排距确定，间距e=0.6 m，排距i=0.8 m。

④钢筋梯选择：直径Φ=12 mm，梯宽B=100 mm。

⑤金属网为8号铁线编织的菱形网，网格尺寸50 mm×50 mm。

⑥锚索选择：直径Φ=15.4 mm，锚索有效长度L=6 m，排距1.6 m。

⑦木垫板选择：木质选择杨木或柳木，尺寸为200 mm×300 mm×50 mm。

⑧锚杆托盘采用150 mm×150 mm×8 mm球冠托盘。

2.2 锚杆支护方式的理论验算

2.2.1锚杆长度计算

按悬吊理论计算锚杆参数。

式中：L——锚杆长度，m；

H——冒落拱高度，m；

K——安全系数，一般取K=2；

L1——锚杆锚入稳定岩层的深度，一般按经验

取0.4 m；

L2——锚杆在巷道中的外露长度，一般取0.15 m。

式中：B——巷道开掘宽度，取4.0 m；

f——岩石坚固性系数，砂岩取3。

则L=2×0.67+0.4+0.15=1.89 m，现使用的锚杆长度为2.0 m，可以满足支护要求。

2.2.2 锚杆间距及排距计算

设间排距均为a，

式中：a——锚杆间排距，m；

Q——锚杆设计锚固力，50 kN/根；

H——锚杆有效长度，取2.0 m；

r——被悬吊砂岩的重力密度，取25 kN/m3；

K——安全系数，一般取K=1.5.

经过上述计算，锚杆间排距取0.6 m×0.8 m能满足对顶板支护的需要。

2.2.3 锚杆直径确定

式中：d——锚杆杆体直径，mm；

Q——锚固力，由拉拔试验确定，kN；

δt——杆体材料抗拉强度，MPa。

d=35.52× (50/200)1/2=17.76 mm，取18 mm。

现使用的锚杆直径为18 mm，可以满足支护要求。

2.2.4锚索间距计算

式中：L——锚索间距，m；

n——锚索排数，取1；

F2——锚索极限承载力，取230 kN；

B——巷道最大冒落宽度，取4.0 m；

H——巷道最大冒落高度，取2.0 m；

r——岩体容重，25 kN/m3；

F1——锚杆锚固力，50 kN；

L1——锚杆排距，0.8 m；

φ——锚杆与巷道顶板的夹角，90°。

经上述计算，锚索间距1.2 m，排距、直径、长度取经验数分别为3.2 m(1.6 m、0.8 m)、15.4 mm和6 m，可以满足支护的要求，锚索必须打至稳定岩层内。

3 施工技术要求

为保证巷道围岩的整体性和稳定性，应在最短时间内及时安设锚杆、锚索，保证其受力均衡。针对煤体松软的不利因素采取了缩小循环进尺，每掘进一排锚杆的排距即进行支护，使顶部支护紧跟迎头。为保证锚杆、锚索的有效锚固力，必须按作业规程规定的角度、深度安设锚杆、锚索，并做到三径匹配，不得随意改变参数。锚杆用1卷K2335型、1卷Z2335型、1卷M2335型树脂锚固剂锚固。锚杆预紧力20 kN，安装2 d～3 d后必须进行二次加扭。锚索用1卷K2335型、2卷Z2335型、1卷M2335型树脂锚固剂锚固，以保证锚固效果，打注后滞后24 h拉紧，锚索预紧力60 kN～70 kN。钢筋梯在使用时确保锚杆托盘切实接触钢筋梯、金属网和围岩。

4 矿压监测

4.1 巷道变形

巷道内每隔30 m设置一个测站，此区共设14组测点，采用十字布点法布置观测点。由于煤层埋藏深度大，矿山压力显著，巷道变形严重。第1个月最为明显，其中两帮移近速率为6.3 mm/d～8.1 mm/d，顶板下沉速率为3.1 mm/d～3.5 mm/d，稳定期两帮移近速率为 1.3 mm/d～2.4 mm/d，顶板下沉速率为0.5 mm/d～1.6 mm/d。巷道变形两帮移近量最大400 mm，最小259 mm；顶板下沉量最大188 mm，最小135 mm；底臌量最大313 mm，最小225 mm。见图4、图5。

图4 巷道收敛曲线

图5 顶板下沉曲线

4.2 顶板离层

采用DLY-4型顶板离层指示仪，对顶板离层进行观测，此区共设离层仪10个。离层仪每隔30 m～50 m安装1个，深度为6 m。观测结果表明，在此区内由于煤层松软、遇水膨胀等原因，顶板离层明显，第1个月尤为严重。浅层离层速率为2.2 mm/d～2.57 mm/d，深层离层速率为 2.5 mm/d～4.82 mm/d。在稳定期内，浅层离层速率为0.55 mm/d～1.34 mm/d，深层离层速率为0.63 mm/d～1.13 mm/d。观测顶板离层量深部最大达到270 mm，浅部最大达到220 mm，未超过设计允许值。见图6。

图6 顶板离层曲线

4.3 巷道压力

采用Y-100型压力盒监测锚杆、锚索受力状况，巷道内每隔30 m～50 m安装1组（3个）与离层仪交错布置，此区共设10组观测点。通过观测，顶板锚杆的工作阻力最大100 kN，两帮锚杆的工作阻力最大140 kN，没有出现压力值达到锚杆屈服强度的现象。见图7。

图7 巷道压力曲线

5 锚杆、锚索、金属网、钢筋梯联合支护费用

采用锚杆、锚索、金属网、钢筋梯联合支护每m巷道（S=12.24 m2）总费用为657+1 657.97=2 314.97元/m，人工及费用见表1，材料及费用见表2。

表1 锚杆、锚索、金属网、钢筋梯联合支护每m巷道人工费用

表2 锚杆、锚索、金属网、钢筋梯联合支护每m巷道材料费用

6 U型钢棚支护费用

采用U型钢棚支护每m巷道（S=12.24 m2）总费用为 3 726.8+2 270.7×2=8 268.2元/m。

U型棚支护总费用为658.3+3 068.5=3 726.8元/m，人工及费用见表3，材料及费用见第29页表4。

表3 U型棚支护人工及费用

翻修一次U型棚总费用为330+1 940.7=2 270.7元/m，人工及费用见第29页表5，材料及费用见第29页表6。

7 经济效益对比

采用U型钢棚支护时，棚距0.8 m/架，架棚总费用3 726.8元/m，每5个月需翻修一次巷道，翻修费用为2 270.7元/m。

表4 U型棚支护材料及费用

表5 翻修一次U型棚人工及费用

表6 翻修一次U型棚材料及费用

+100东二石门区采区服务年限为15个月，采区巷道总长度1 020 m，采用架棚支护时每m巷道总费用8 268.2元，采用锚网支护时每m巷道总费用2 556.1元。目前+100东二石门区采区支护状况良好，围岩稳定，经过技术经济比较，采用锚网联合支护共节约巷道支护费用5 826 342元。

8 总结

根据监测结果，未修改设计前与修改设计后巷道收敛情况对比见表7、表8。

矿压监测综合结果表明，锚杆工作阻力达到125 kN，顶板下沉到120 mm，顶板离层到130 mm后，巷道处于稳定状态。压力图形分析及现场实际观察，巷道两帮相对位移大于顶、底板相对位移且两帮压力大于顶板压力。为此我们对原设计进行了修改，把锚杆长度由原2 000 mm长改为2 200 mm，顶板锚索由原五花形布置改为一字形，每排共打3根，排距1 600 mm，间距1 200 mm（从巷道中心向两侧布置）。

表7 未修改设计前巷道收敛情况 mm

表8 修改设计后巷道收敛情况 mm

根据监测结果，临江市永安煤业有限责任公司巷道施工证明，松软厚煤层采用锚杆、锚索、金属网、钢筋梯联合支护是可行的，与以往巷道其他支护相比，不仅改善了巷道维护状况，降低了支护成本，而且扩大了有效利用空间，巷道基本不需要翻修，具有很好的支护效果，满足于实际生产的支护要求。

Supporting Technology of Soft Thick Coal Seams

Liu Xinkun Wang Aiguo Song Guangcheng

In order to solve the supporting problems of soft thick seam,YongAn Coal Industry Co.,Ltd.,together with Liaoning Technical University,analyzed the anchor,anchor rope,metal mesh,steel ladder joint support design,measured the actual supporting parameters,and analyze laneway surface displacement,absciss layer and other mine pressure data,summarize a successful joint support technology of anchor,anchor rope,metal mesh,steel ladder.

soft thick coal seam tunneling；anchor；anchor rope；metal mesh；steel ladder

TD353

A

1000-4866（2011）03-0025-05

刘新坤，男，1972年9月出生，1993年7月辽源煤校（采煤专业）毕业，现在通化矿务局生产技术处工作，工程师。

王爱国，男，1967年11月出生，1993年7月通化矿务局职工中专（采煤专业）毕业，现在临江市永安煤业有限责任公司工作，助理工程师。

宋广成，男，1977年9月出生，2010年7月辽宁工程技术大学（采矿技术专业）毕业，现在临江市永安煤业有限责任公司工作，技术员。

2011-06-16

2011-07-07