寺河矿锚杆支护优化设计

郭相平

(煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013)

寺河矿锚杆支护优化设计

郭相平

(煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013)

Optimization and Design for Anchored Bolt Supporting in Sihe Colliery

针对寺河矿近年来因瓦斯高等原因造成的巷道掘进速度缓慢的问题，对巷道围岩地质力学参数进行详细调查，并采用数值模拟软件模拟了强力锚杆支护系统在不同锚杆间排距条件下形成的预应力场，模拟结果表明高预应力强力锚杆支护系统能控制巷道的变形。根据数值模拟的结果，将强力锚杆支护系统应用到寺河矿1303工作面的13033巷，现场监测数据表明:巷道顶板下沉小于10mm，两帮移近量小于20mm，成巷速度提高了15%以上，同时降低了工人的劳动强度和支护成本，缓解了寺河矿采掘衔接紧张的难题。

强力锚杆;优化设计;支护密度;支护速度

近年来，寺河矿原煤产量不断提高，而掘进进尺并没有很大改观，目前最突出的问题是成巷速度较慢，平均为400～500m/月，无法满足回采工作面快速推进的要求，造成采掘接续紧张。受到矿井逐步延伸，煤层埋深加大、地质构造增多、煤层瓦斯含量增高等客观因素影响，巷道掘进速度放慢且明显滞后，给矿井综采工作面的正常接续带来了巨大的压力，提高综掘的单进水平势在必行，同时近年来巷道受动压、高应力的影响失修严重，普通锚杆支护不能满足快速掘进和安全生产的需要。寺河矿急需寻找一种新的支护方式和参数来提高巷道的成巷速度并且能保证巷道安全。

1 工程概况

1303工作面为大采高一次采全高工作面，工作面南侧由南向北依此布置有13037，13035和13033巷，工作面东侧布置切眼，工作面西侧布置撤架通道。回采巷道、切眼和撤架通道均沿煤层底板掘进。

13033巷随1303工作面回采垮落，不留巷; 13035和13037巷在1303工作面采后，留巷，为下一工作面服务。

1303工作面巷道平面布置示意如图1所示。

图1 1303工作面巷道平面布置

经现场地应力测量，寺河煤矿1303工作面附近最大水平主应力为9.83MPa，最小为7.64MPa，最小水平力为5.34MPa。从量值上来划分，寺河矿1303工作面附近区域属于中等偏低应力值区域。从应力场类型上划分，1303工作面附近区域的最大水平主应力大于垂直应力，应力场以水平应力场为主，构造应力在全区占主导地位。水平主应力对巷道顶底板的影响大于对巷道两帮的影响。因此，在支护设计过程中应结合应力场类型，充分重视巷道顶板的支护强度和刚度，尽可能地保持顶板岩体的完整性，提高其自身承载能力。

2 巷道围岩结构调查及分析

本次研究是通过增大锚杆的间排距来提高寺河矿掘进速度，为了保证巷道的使用安全，对巷道围岩结构进行了钻孔窥视。

窥视结果见图2。顶板以上0～1.68m为顶煤，煤体较为完整，有极少量横向裂隙;1.68～1.82m为泥岩;1.82～4.05m为砂质泥岩，岩层灰黑色，较为完整，有少量横向裂隙，水波状纹理，还有少量含铁物质矿物;4.05～9.58m为泥质砂岩，厚层状，灰黑色，致密坚硬;9.58～11.6m为粉－细砂岩，岩层灰白色，砂质胶结，致密坚硬;11.6～12.2m为泥岩夹层，松软;12.2～14m为粉－细砂岩，岩层灰白色，砂质胶结，厚层状，致密坚硬，水平纹理，有极少量的横向裂隙及原生纵向裂隙，完整性非常好。

图2 1303工作面附近区域巷道顶板窥视图

该处是采用寺河矿原支护方案进行支护的巷道，顶板没有明显的离层和裂隙，顶板岩层完整性好。寺河矿原支护方案强度较低，根据煤巷锚杆支护“三高一低”的原则，可以通过提高支护系统的强度和刚度来降低支护系统的支护密度。

3 原支护方案

1303工作面两巷断面宽5m，高3.8m。原支护方案为:顶板采用(钢号BHRB400)20mm的螺纹钢，长度2.4m。钢筋托梁规格为SB16－4800－100－6。网片规格为5m×1.1m。树脂加长锚固，锚固长度为1.4m，锚杆预紧扭矩200N·m。每排6根锚杆，间距为0.9m，排距为1m。采用22mm，长7.3m的锚索，锚索每2排2根，排距为2.4m。煤柱侧巷帮材料和顶板材料相同，单体支护，网片规格为3.5m×1.1m，锚杆扭矩为100N·m。工作面侧巷帮采用18mm，长2m的圆钢锚杆，其他同煤柱侧巷帮。

4 强力锚杆支护数值模拟分析

强力锚杆支护系统具有强度高、可施加较大预应力等特点，在岩体工程中得到广泛应用。为全面、深入研究强力锚杆支护系统的支护作用机理，分析不同锚杆直径、间排距和锚索根数对支护效果的影响，对强力锚杆支护进行了数值模拟。

4.1 锚杆预紧力对支护效果的影响

预紧力与巷道围岩变形的关系如图3所示，随着锚杆预紧力的增加，巷道围岩的完整性越好，围岩变形量也随之减小。考虑目前施工机具所能达到的功率，锚杆预紧力以80kN为宜。

4.2 锚杆直径对支护效果的影响

图3 锚杆预紧力与围岩变形关系曲线

锚杆直径与巷道顶板下沉量的关系如图4所示，随着锚杆直径加大，顶板下沉和两帮相对移近量一直在减小，从18mm到22mm，顶板下沉量降低10mm;从20mm到22mm，顶板下沉量仅减小2mm;从22mm到24mm，顶板下沉量基本没有变化。根据模拟结果，再增加锚杆的直径已没有意义，因此22mm是比较合理的锚杆直径。

图4 锚杆直径与顶板下沉量关系曲线

4.3 锚杆排距对支护效果的影响

锚杆排距与顶板下沉量的关系如图5所示。从0.8～1.4m，顶板下沉量变化7.5mm，但从1.2～1.4m顶板下沉量即为6mm，变形量突然增大，而在排距为1.2m以下，变形量变化不大。因此，锚杆排距1.2m是合理的排距。

图5 锚杆排距与顶板下沉量关系曲线

4.4 锚索根数对支护效果的影响

锚索对巷道顶板下沉量的影响如图6所示。顶板无锚索时，顶板下沉量为234.8mm，1根锚索时下沉量为222.2mm，2根锚索时为215.3mm。可见，有锚索和无锚索对巷道顶板变形和支护效果影响比较明显，而且2根锚索比1根锚索对巷道支护效果明显要好，选用2根锚索比较合理。

图6 锚索根数与顶板下沉量关系曲线

5 强力锚杆支护方案

经过数值模拟分析，确定寺河矿13033巷采用强力锚杆支护系统进行支护。

5.1 顶板支护方案

锚杆采用22号左旋无纵筋螺纹钢，钢号为BHRB500，长度为2.4m;高强拱型托板规格为150mm×150mm×10mm，配合M24高强螺母、调心球垫和尼龙垫圈;W形钢带宽度为280mm，厚度为4mm，长度为4.8m;网片规格为5.4m×1.4m;树脂加长锚固，采用2支树脂锚固剂，1支为K2335，另1支为Z2360;锚杆钻孔直径为30mm，锚固长度为1.4m，锚杆预紧扭矩400N·m，每排6根锚杆，间距为0.9m，排距为1.2m。

锚索为22mm，长7.3m。锚固方式是树脂加长预应力锚固，采用3支树脂锚固剂，1支为K2335，另2支为Z2360。钻孔直径为30mm，锚固长度为1970mm。锚索每2排2根，间距为2m，排距为3.6m，尾部配有高强度锚具，配套高强度可调心金属托板规格为300mm×300mm×16mm。

5.2 巷帮支护方案

煤柱侧帮锚杆采用22号左旋无纵筋螺纹钢，钢号为BHRB500，长度为2m;高强拱型托板规格为150mm×150mm×10mm，配合M24高强螺母、调心球垫和尼龙垫圈;W钢护板宽度为280mm，厚度为4mm，长度为300mm。网片规格为3.3m× 1.4m。树脂端部锚固，采用1支树脂锚固剂，规格为 Z2360。钻孔直径为 30mm，锚固长度为0.9m，锚杆预紧扭矩400N·m。每排每帮3根锚杆，间距为1.2m，排距为1.2m。工作面侧巷帮采用18mm，长度 2m的圆钢锚杆，塑料网采用3.3m×1.4m，其他同煤柱侧巷帮。13033巷强力锚杆支护断面布置如图7所示。

图7 强力锚杆支护

5.3 支护效果及效益分析

强力锚杆支护系统应用于13033巷后，巷道变形比原支护有所减小，顶板下沉控制在10mm以内，两帮移近量也控制在20mm以内，现1303工作面已经回采完毕，采用强力锚杆支护系统支护的巷道没有进行任何维修。

施工120m巷道，使用原支护方案需要施工锚杆1680根，挂网360片，施工锚索80根，钢筋托梁120条，托板1680块，锚固剂2640支。施工的锚杆和锚索根数较多，运输工程量比较大。而采用高强锚杆支护后需要施工锚杆1200套，挂网300片，施工锚索67根，施工的锚杆和锚索根数相对较少，减少了锚杆支护的密度，大大加快了支护速度。在运输上比原支护方案少运输锚杆480根，网片60片，锚索13根，托板480块，锚固剂840支，大大减小了运输工程量，降低了工人的劳动强度。寺河矿在采用强力锚杆支护后，成巷速度较原支护提高了15%。

使用原支护方案施工120m，需要材料费用169562元，平均1413元/m;使用强力支护方案施工120m，需要材料费用154655元，平均1288.79元/m，则使用强力锚杆支护系统比原支护平均每米节省材料费用124.21元。

7 结论

(1)通过提高锚杆强度，提高了支护系统的强度;增大预紧力，提高整个支护系统的刚度，有效控制了巷道围岩的变形，显著提高了巷道支护的可靠性。

(2)通过增大锚杆的间排距，大大提高了巷道掘进速度 (15%)，有利于矿井实现高产高效。

(3)增大间、排距后，支护材料大大减少，节省了运输及其他辅助成本，实现企业增收节支。

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［责任编辑:姜鹏飞］

TD313

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1006-6225(2012)04-0073-03

2012－05－08

郭相平 (1980－)，男，安徽庐江人，工程师，从事巷道支护的研究与推广工作。