大断面综放开切眼锚杆支护设计与围岩稳定性研究

陈永辉

平顶山天安煤业三矿有限责任公司,河南平顶山 467092

随着我国综采开放技术的不断应用，并逐渐向矿井的深部延伸，一些新难题也随之而来，例如极破碎围岩巷道、沿空掘巷、全煤巷道等，随着开采强度越来越大，对巷道断面也提出较高要求。为了改善巷道支护效果与质量，在借鉴国外先进技术的基础上，通过全力攻关，基本形成与我国煤矿条件相适应的煤巷锚杆支护技术以及动态信息设计方法。目前，锚杆支护在我国全面推广，经济效益良好。但是大断面综放开切眼与一般的薄煤层和中厚煤层巷道不同，断面锚杆较大、顶煤较厚、变形量大、围岩松软，如果不能合理选择支护形式及参数，就会产生以下问题：一方面，支护强度过高，浪费成本；另一方面，一旦支护强度不足，就会产生冒顶事故，带来不必要的损失。因此，加强大断面综放开切眼锚杆支护设计的研究，对煤巷开采具有一定现实意义。

1 锚杆支护参数设计

1.1 顶板锚杆支护

以某实际工程为例，综放开切眼顶板含有两层夹矸、厚度约4.0m负荷煤顶板，稳定性较差，容易产生离层或冒落问题。因此，锚杆支护应采取树脂全长或者加长锚固等高强度的螺纹钢锚杆支护强化顶板。高强度的螺纹钢锚杆与树脂药卷全长锚固或者加长锚固配合支护。在锚固范围内，如果岩层、煤层等发生离层或变形，杆体会对围岩产生一定约束力，避免煤层或岩层出现离层，因此，煤层或岩层的强度与刚度有所提高，可有效减少顶板下沉。另外，锚杆中部受力较大、两端受力小，可减少在锚杆支护时，两端受力过大、锚固端的顶板产生受力作用，容易发生破坏。通过采取锚杆支护，极大提高开切眼顶板的安全性。

1.2 顶板锚索支护

对于开切眼的跨度大、顶板厚的复合煤顶板来说，为了降低顶煤剪应力与拉应力，采取小孔径的预应力锚索，提高开切眼顶煤的支护效果。通过应用小孔径的预应力锚索，将下部锚固区的顶板悬挂在上部稳定岩中，和锚杆共同加固效果，提高顶板稳定性，确保开眼安全。开切眼顶煤采取高强度锚索或者锚杆支护，既提高顶煤稳定性，同时也可确保顶板的支撑能力，降低两帮煤体压力。

1.3 参数设计

1.3.1 断面设计

根据安装设备的客观要求，以及巷道的位移变形预留量，形成矩形巷道断面。

1.3.2 有限差值的分数值设计

假设数值模型模拟范围长×宽=300m×300m；网格是220mm×160mm，采取应力边界条件，模型上方的表面施加均匀压力，模型两侧面施加的压力随着深度变化而变化，固定在模型下表面的垂直位置。为了如实反映巷道位移的特征，尤其当岩石屈服之后产生的力学行为，又不会降低计算速度，采取以下两种力学模型的模拟岩层：一是应变软化。模拟煤层巷道的直接顶、直接底以及煤层，而其他范围中的煤层则采取摩尔-库伦模型，模拟岩层的层面，以锚杆单元对锚杆进行模拟。共模拟约20多个方案，不断调整锚杆的长度、直径、间排距等因素，分析模拟方案中的两帮煤层、顶板离层等剪切破坏程度、锚杆受力情况、两帮位移等，最终确定最佳支护方案：利用树脂材料加长锚固杆，并采取锚索补强的组合支护。切眼可分为两次掘成，分两次完成。具体设计数值如下：

1）锚杆：杆体是22#左旋的无纵筋螺纹钢筋，长度约2.50m，杆尾螺纹规格M24，采取数值锚固剂（分别为K2355和Z2360型），钻孔29mm，锚杆长度约12m；2）锚杆的布置：采取靠近巷帮的顶锚杆形式，安装角度和垂线成25°的外偏角，其他顶锚杆则与顶板垂直。一般锚杆的间排距是8m×8m，分巷每排为5根，且两分巷每排锚杆为一根锚杆交叠；3）钢筋托梁：采取16mm的钢筋焊接，整体宽度1m、长3.65m；4）锚索：为了提高顶板支护的强度，在顶板的中间位置布置3排锚索，规格约15.24mm×8300mm，间距约16m，利用长度2.5m的12#槽钢，将前后两根钢筋相联，每根锚索采取三卷树脂锚固剂进行锚固，采取K2335型、Z2360型，钻孔是28mm，锚固长度是14m，采取10m×9m×10m的钢板当做锚索托板，提高支护稳定性。

2 围岩稳定性的效果分析

在大断面综放开切眼锚杆支护设计过程中，应注重加强对围岩表面的观察和测量，观察开切眼表面的曲线状况。

1）通过锚杆支护作用，可有效维护巷道的效果，经过长时间（一般为2个月）的观测，从第一次掘进产生的影响、第二次掘进产生的影响直到安装工作面，其中顶底板和两帮产生的移近量约79mm和130mm；2）此种工程方式的掘进影响较少，在进行第一次掘进时，约5天～6天时间后，顶板的下沉状况基本稳定；约9天时间后，两帮相对移近状况也趋向稳定，掘进的影响和掘进稳定阶段，顶板的相对移近量约43mm、两帮相对移近量是70mm。也就是说，在高强度的锚杆与锚索支护下，可在短时间内控制顶板下沉，两帮采取竹锚杆支护即可，减少支护阻力，控制围岩变形的能力相对较小；3）在第二次掘进时，对围岩变形的影响较大，由于顶板支护强度比较大，再加上另一侧的煤帮使用圆钢锚杆支护，阻力比较大，可减少由掘进给围岩变形带来的影响，一般顶板是4天、两帮是7天。减短了掘进的影响期，利于降低围岩强度的损失，提高围岩的稳定效果，有效控制煤顶巷道的变形效果，减少发生片帮或者冒顶事故的可能性，确保巷道安全性，验证支护设计具有极强的可靠性与合理性；4）大断面综放开切的维护效果较好，通过锚杆支护，相对减少底板和两帮的移动量，增强顶板可靠性、安全性、稳定性；增快掘进的速度，减少应用材料，同时降低搬运材料的时间与劳动力；在二次掘进过程中，不会涉及到碰撞支架等问题，提高了施工速度与施工质量；5）工作面的安装空间大、安装速度快，不涉及额外拆除支架问题，一般同等数量的设备安装工作，至少可提前10天完成，减少了劳动强度，尤其节省搬运、安装以及回收工字钢棚支架等体力工作，减少劳动力的大量支出，提高锚杆和锚索的支护机械强度，具有较好的社会效益；6）采取高强度的锚杆和锚索支护技术，可显著提高支护效果，一般应用于下沟煤矿破碎煤顶的巷道中，通过全面推广，将为煤矿企业带来极强的经济效益，促进煤矿企业可持续发展。

[1]王和廷.浅谈综放切眼大断面留顶煤支护技术[J].中国科技纵横，2010(12).

[2]潘金来.不同地质条件下的锚杆支护技术[J].煤炭技术，2009(4).

[3]王坚钢，刘玉鼎.综放沿空巷道矿压显现规律与锚网支护[J].煤矿开采，2007(6).

[4]高明仕，张农，成隆.综放沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定[J].矿山压力与顶板管理，2004(3).

[5]靖洪文，王猛，旺小东，张春宇.综放沿空煤巷不同支护方式围岩变形演化规律的数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2009(6).

[6]周胜贵，颜世文，孙矩正，王志鹏.超前锚杆在软煤层大倾角综放工作面的应用[J].煤矿开采，2008(5).