高应力坚硬顶板煤层巷道锚杆支护方案的确定

贺永昌

（山西乡宁焦煤集团 东沟煤业有限公司，山西 乡宁 042100）

高应力坚硬顶板煤层巷道锚杆支护方案的确定

贺永昌

（山西乡宁焦煤集团 东沟煤业有限公司，山西 乡宁 042100）

针对国内某大型矿井高应力坚硬厚顶板煤层巷道锚杆支护方案的优化问题，通过分析初步确定了锚杆支护的候选方案，随后利用数值计算各方案时巷道围岩的稳定性，并据此确定锚杆支护方案。研究结果表明：该矿回采巷道属于高应力坚硬厚顶板煤层巷道，属于I类巷道顶板，巷道支护的重点应在巷道两帮。锚杆支护参数（锚杆直径、锚杆长度、锚杆间排距）对支护效果有较大影响。该矿条件下，帮部锚杆间排距对支护效果的影响较敏感；回采巷道帮部锚杆采用直径18mm、长度2.4m、间排距0.8m、锚固长度0.8m时锚固效果较好，能满足巷道稳定性要求。

坚硬顶板；回采巷道；锚杆支护；稳定性

1 概述

为了确定国内某大型矿井回采巷道锚杆支护的方案，本文利用理论分析和数值计算分析相结合的手段，分析不同锚杆支护方案下（锚杆长度、锚杆直径、间排距不同时）巷道的围岩破坏程度、顶板下沉量、侧帮水平位移，研究其对巷道稳定性的影响程度，并据此确定巷道锚杆支护的最终方案。

2 锚杆支护方案的初步确定

国内某大型矿井位于山西沁水煤田，地理位置优越，交通便利；开采3号煤层和15号煤层。15号煤层顶板为K2石灰岩，平均厚度大约7.5 m左右，平均抗压强度110MPa，属于典型的Ⅰ类顶板。

根据巷道支护设计的基本原则，巷道顶板属于Ⅰ类顶板时，顶板基本不要支护，巷道支护重点在两帮；为了防止巷道顶板由于风化、局部破碎、地质构造等原因发生脱落，设计顶板铺设顶网，要在顶板上打设锚杆。因此，设计锚杆长度、直径、间排距等参数。

依据该矿的工程实际情况，并根据锚杆设计的组合梁设计理论，并按巷道宽度和网片规格，最终确定巷道顶部锚杆每排打设3根，其间距和排距分别为1.6 m和0.8 m，锚杆长度为1.8 m，直径为16 mm-18mm。对于巷道帮部锚杆，根据前面计算结果，可得帮部锚杆长度在2.0m～2.4m之间，锚杆的直径应该在16 mm～20 mm之间，间距和排距根据支护效果选择0.8 m×0.8 m和1.0 m×1.0 m其中之一，锚固长度要求大于0.63 m，考虑到实际锚固效果，设计时确定为0.8m。回采巷道的帮部锚杆支护方案，如表1所示。

表1 巷道两帮锚杆支护方案表

3 锚杆支护稳定性的数值计算

为了确定15号煤层巷道附近的岩层情况和地质条件，通过现场钻孔取芯，并参考前期钻孔柱状图，得到了15号煤层巷道附近岩层地质柱状图[5,6]。依据数值计算的建模原则，利用大型岩土数值计算软件[7]，建立回采巷道的数值计算模型图（见图1）。

根据数值计算的建模原则和模型简化原则，模型竖向高度为巷道顶底板各向外延伸30 m，巷道宽度方向为巷道两帮各向外延伸30m。15号煤层上面依次为K2灰岩和砂质、炭质泥岩，下面为泥岩，其中煤层厚度4.43 m，K2灰岩厚度7.5 m，底板泥岩厚度12.9m。

为了分析回采巷道在无支护和表1的三种支护方案的围岩稳定性数值，模型的边界条件为：上边界施加均布载荷，以模拟上覆岩层的自重应力；下边界施加垂直于下表面的位移约束；左右边界分别施加垂直于各自表面的位移约束。模型中煤岩的物理力学参数，根据现场取芯的测定结果赋值。

图1 巷道围岩赋存几何模型

4 不同支护条件下的巷道稳定性

无锚杆支护条件下，回采巷道围岩的破坏情况见图4，从图看出，巷道顶板、底板、帮部都发生了不同程度的破坏，尤其是巷道帮部的破坏程度较大，出现严重片帮。巷道底板的破坏程度相应较高，其原因是由于帮部破坏，导致底板约束减弱造成的。因此，回采巷道支护的重点应是巷道的两帮。

在方案一条件下，锚杆长度2.0 m，直径18 mm，间距和排距0.8m时，巷道围岩破坏情况见图5，从图看到，巷道围岩破坏区域在帮部和底板，帮部破坏区域稍大些。对比无锚杆支护情形来讲，锚杆支护对于控制围岩破坏起到很大作用；图5中巷道顶板、底板、帮部的破坏程度都有相应减小，但其支护效果并不太理想。

方案三条件下，采用锚杆长度2.4 m，直径18 mm，间距和排距0.8 m时，巷道的围岩破坏情况如见图6，从图看出，巷道围岩破坏区域在帮部和底板，帮部破坏区域稍大些。对比无锚杆支护情形来讲，锚杆支护对于控制围岩破坏起到很大作用；图6中巷道顶板、底板、帮部的破坏程度都有相应减小。对比方案一和方案二的支护效果而言，图6中巷道围岩的破坏区域稍小些，且巷道两帮围岩整体性完好，帮部与顶、底板交叉处的围岩破坏程度也很小。因此方案三的条件下，巷道支护效果已较理想。

图3 无支护条件下回采巷道围岩变形破坏效果图

图4 方案一条件下回采巷道围岩变形破坏效果图

图5 方案二条件下回采巷道围岩变形破坏效果图

图6 方案三条件下回采巷道围岩变形破坏效果图

表2 回采巷道不同支护方案下围岩变形情况

通过数值分析不同支护方案时的回采巷道围岩破坏区域，并据此判断巷道围岩的稳定性，得出了表2所示三种锚杆支护方案下回采巷道围岩的变形信息。分析高应力坚硬厚灰岩顶板煤巷，在不同锚杆支护方案下的围岩稳定性可以知道，从支护效果看，方案三＞方案一＞方案二＞无支护。

5 结论

锚杆支护方案的合理性设计是个重要课题。本文探讨了巷道锚杆支护方案的优化问题，主要得到以下有益结论：（1）某矿回采巷道属于高应力坚硬厚顶板煤层巷道，其顶板属于I类巷道顶板，巷道支护的重点应在巷道两帮。（2）锚杆支护参数（锚杆直径、锚杆长度、锚杆间排距）对支护效果有较大影响。在某矿条件下，帮部锚杆间排距对支护效果的影响较敏感。（3）某矿回采巷道帮部锚杆，采用锚杆直径18mm，锚杆长度2.4 m，间排距0.8 m，锚固长度0.8 m时，锚固效果较好，能满足巷道稳定性要求。

[1] 杨双锁.煤矿回采巷道围岩控制理论探讨[J].煤炭学报，2010，35(11):1842-1853.

[2] 田柯，田取珍.锚杆支护参数对巷道围岩稳定性影响研究[J].山西煤炭，2011，31(5):44-47.

[3]Itasca Consulting Group,Inc.USA.UDEC[M].Universal Distinct Element Code,version 4.0,User’s Manual.

Abstract:To the anchor support optimization for high-stress roadways with hard thick roofs,the alternative support plans are preliminarily determined after the analysis.Then the final plan is selected after the numerical calculation of each plan's surrounding rock stability.The results show that the roadways are high-pressure with type I hard-thick roof.Therefore,the supporting should be focused on the two sides.Anchor supporting parameters (including diameter,length,and row&line space)have greater effect on the supporting.In the condition of this mine,the row&line space of side bolts is sensitive to the supporting influence.Side bolts are adopted with parameters as follows:the diameter is 18mm,the length 2.4m,the row&line space 0.8m,and the anchorage length 0.8m,which could satisfy the stability requirement.

Key words:hard roofs;caving roadway;anchor support;stability

编辑：刘新光

Anchor Support Plan for High-Stress Roadways with Hard Thick Roofs

HE Yong-chang

(Donggou Coal Co.,Xiangning Coking Coal Group,Xiangning Shanxi 042100)

TD353

A

1672-5050（2012）05-0076-03

2012-02-09

贺永昌（1978—），男，山西乡宁人，本科，助理工程师，从事煤矿开采等方面的研究工作。