霍尔辛赫矿井大断面煤巷锚网支护技术研究

张军鹏

（山煤国际霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046600）

霍尔辛赫矿井大断面煤巷锚网支护技术研究

张军鹏

（山煤国际霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046600）

为解决霍尔辛赫矿井大断面煤巷锚杆支护体系的存在问题，先从理论上分析现存问题的原因，并找出关键因素：锚杆（索）的预应力在支护系统中起关键性作用。采用数值模拟计算方法，分析锚杆预紧力、长度、间距、锚固方式、角度、钢带、及锚索预紧力的不同应力效果。在霍尔辛赫开拓巷道和3201首采工作面巷道进行井下工业性试验及对锚杆（索）受力进行监测，得出高预应力强力锚杆锚索支护系统（锚杆预紧扭矩400N·m、锚索预紧力300kN）可有效提高支护效果，能有效控制围岩变形。

锚杆支护；加长锚固；强力支护；联合支护

1 霍尔辛赫井田的概述

霍尔辛赫井田属沁水煤田，地处长治市长子县，面积71.3946km2，开采3号煤层，平均厚度5.65m。设计能力300mt/a，服务年限60.3a，属基建转生产矿井。根据开采煤层赋存特点、顶底板岩性，矿井巷道大部分沿煤层布置。由于地质条件复杂、巷道断面较大、三叉口和四叉口处断面更大、特点显著，加之煤层较破碎，造成巷道支护困难，大多产生底臌现象。为公司巷道支护技术在高起点快速发展，为矿井高效、节约化生产创造良好条件；须对大断面煤巷的支护设计进行全面、系统、深入的研究和试验，提高巷道支护效果，降低支护成本，从而促进矿井快速高效建设和实现高产高效，具有十分重要的意义。

2 大断面煤巷锚网支护的因素探析

锚网支护受到围岩强度、结构、应力等许多因素影响，因而找到影响锚网支护的关键点，就成为有效提高锚网的及时支护能力、改善巷道支护效果的重中之重。霍尔辛赫矿井虽用过锚网支护等多种支护方式，但在围岩地质条件差的地段，巷道的锚网支护效果并不好，巷道变形剧烈、破坏区域较大、锚网及时支护的特征没能发挥出来，具体表现：（1）锚杆施工时的预应力较小，又形成被动支护，不能有效及时控制巷道岩层间早期的离层、错动、裂隙，导致围岩的整体性和强度大大降低、巷道围岩出现较大变形。（2）锚网支护的组合构件（如：托梁、托盘等）强度不足，故在巷道围岩应力集中的破碎地段的这些组合构件常有被拉脱、剪断的状况，应力更大时托盘会被压翻卷或者出现局部裂隙破碎。（3）锚网支护的护表构件，例如：金属网等力学特性与支护用锚杆的强度不匹配，致使锚杆（索）间的围岩鼓大、突出、变形明显；一方面很大影响锚网的支护效果，二方面使得巷道断面变小、而致不能有效使用。

从因素分析可知［1-3］，增强锚网支护整体的强度是重中之重，主要途径有三条：（1）给锚杆（索）施加强大的预应力，并通过组合构件（如：托板、钢带等）实现有效扩散。（2）改端部锚固为加长锚固，使锚杆杆体对巷道围岩的离层、错动十分敏感，起到及时抑制巷道围岩的错动、离层。（3）采用先进的锚杆紧固施工器具，使得施工中能给锚杆施加高强的预应力。

3 支护参数对支护效果的数值模拟分析

采用三维有限差分数值计算软件FLAC3D，在零原岩应力场条件下，分析锚网支护参数施加的应力场分布特征与影响因素，得出以下结果：（1）给锚杆施加高强预应力条件下，支护产生的预应力区域相互连接，形成范围很广的有效压应力区、布满整个顶板，锚杆主动支护的效果得到很好体现，见图1。

图1 不同预紧力时的锚杆支护附加应力场分布

（2）在预紧力一定的条件下，随着锚杆长度的增加，预紧力对围岩的支护压应力越来越不明显，主动支护的效果性越差。因此，锚杆越长施加的预紧力应越大。（3）在预紧力一定的条件下，随着排排锚杆间距的缩减，形成的支护压应力区逐渐靠拢、相互重叠，形成交互的整体结构，预紧力及主动支护效果扩展到绝大部分锚网支护区域；当排排锚杆数量增加到某个临界点后，再增加锚杆数量，对锚网支护有效压应力区的扩展作用不显著。（4）在预紧力一定的条件下，端部锚固时，锚杆支护形成的有效压应力区的厚度较大，形成类似“葫芦”状的压应力分布区；加长锚固时，形成的有效压应力区的厚度较小，形成类似“锥体”状的压应力分布区。因此，在仅考虑锚杆预应力时，加长锚固的效果低于端部锚固。扩散加长锚固预应力效果的可靠途径是先施加预应力、锚固剂后固化，形成类似于预应力钢筋混凝土的特征结构，见图2。（5）近水平煤层巷道中，顶板角部锚杆最大角度不应超过5°，最好垂直布置。（6）增加钢带可使锚杆相互形成整体，实现预应力的有效扩展，显著提高锚杆对围岩的整体效果。（7）当给锚索的预紧力达到300kN时，锚索尾部附近形成的压应力值达到0.5mPa，在锚索自由段长度范围内，形成了相互连接、相互叠加的压应力区，使锚索预应力对围岩的主动支护作用越明显；同时，锚索间形成骨架式网状结构，锚索对围岩的支护作用更加显现，见图3。

图2 不同锚固方式锚杆的支护附加应力场

图3 不同锚索预紧力的支护附加应力场分布

4 大断面煤巷的锚杆支护试验

4.1 霍尔辛赫开拓时大断面巷道

（1）地质及生产条件。开拓大巷采用“三进两回”布置，中间为主运大巷，两侧为东西辅运大巷和东西回风大巷，巷道间距60m。东辅运大巷现掘进长度650m，沿3号煤层顶底板掘进、平均厚度5.65m，煤质松软。煤层伪顶是平均0.28m的泥岩，直接顶是平均11.96m的砂质泥岩，老顶是平均7.86m的中粒砂岩。直接底板为平均1.18m的泥岩，老底为平均3.36m的细粒砂岩。从开拓地质条件看，受到陷落柱、断层、褶曲等构造应力的影响，表现为高应力条件下的深井软煤层开采。

（2）支护方案：东辅运大巷的净断面5m×5.25m，掘进断面5.2m×5.6m，采用上下台阶两次掘进方法。参照设计并经数值模拟计算分析，选用加长预应力锚网强力支护系统，顶板锚杆杆体选用MSG500号Φ22mm螺纹钢、长度2.4m，锚杆排距900mm，每排6根，间距900mm；使用2支低粘度树脂药卷加长锚固，规格为Z2360和K2335；使用Φ16mm钢筋焊接的托梁护顶，钢带宽度80mm、长度4900mm；使用6号钢筋焊接的金属网护顶，规格2000mm×1000mm；锚索选用Φ22mm，1×19股高强度钢绞线，长度7300mm。每排锚杆间打2根锚索，锚索排距1800mm，间距1800mm。巷帮锚杆形式和规格同顶锚杆，锚杆排距900mm，每排7根，上台阶间距850mm、下台阶间距800mm；使用1支低粘度树脂药卷锚固，规格为Z2360；采用Φ16mm钢筋焊接的托梁护帮，钢带宽度80mm，上台阶长度2950mm，下台阶长度2800mm；使用6号钢筋焊接的金属网护顶，规格2000mm×1000mm；巷帮锚索材质同顶锚索，长度5300mm。每排锚杆间打4根锚索，排距1800mm，上台阶间距1000mm、下台阶间距1200mm。锚杆预紧扭矩都为400N·m，锚索预紧力都为300kN。巷道支护布置见图4。

图4 东西辅运大巷支护简图

（3）矿压监测：使用锚杆测力计和测力锚杆，对加长预应力锚网支护锚杆实际受力状况进行监测，结果如下：巷道刚开始掘进期间，两帮移近量40mm，顶底板移近量80mm，巷道变形量不大。巷道掘进累计4m～15m时，锚杆的受力变化较大，之后趋于稳定。锚杆受力沿长度方向不均匀分布，孔口处最小，在距孔口700m～950mm处受力最大；950mm至锚固端各部位受力基本保持不变。从矿压监测结果看出，加长预应力锚网强力支护系统的效果优良，可有效控制围岩变形。

4.2 霍尔辛赫3201工作面大断面巷道

（1）地质及生产条件。3201工作面为首采工作面，切眼全长200m，沿3号煤层顶板掘进，煤层平均厚度5.52m，煤质松软。3号煤层伪顶是平均0.38m的泥岩，直接顶是平均8.96m的砂质泥岩，老顶是平均5.86m的中粒砂岩。直接底板为平均0.98m的泥岩，老底为平均3.36m的细粒砂岩。从掘进地质条件看，受到陷落柱、断层、褶曲等构造应力的影响，表现为高应力条件下的深井软煤层开采。

（2）支护方案：3201工作面开切眼的支护断面7.5m×2.95m，使用内外侧帮两次掘进方法。参照设计并经数值模拟计算分析，选用加长预应力锚网强力支护系统。顶板锚杆杆体选用MSG500号Φ22mm螺纹钢，长度2.4m。锚杆排距900mm，每排10根，外侧帮间距900mm、内侧帮间距800mm。使用2支低粘度树脂药卷加长锚固，规格为Z2360和K2335。采用Φ16mm钢筋焊接的托梁护顶，钢带宽度80mm，外侧帮长度4000mm，内侧帮长度3500mm。采用16号铁丝编制的菱形网护顶，锚索材料Φ22mm，1×19股高强度钢绞线，长度7300mm。每两排锚杆间打6根锚索，内外侧都为三花布置，锚索排距900mm，外侧帮间距1800mm、内侧帮间距1600mm。外侧巷帮锚杆形式和规格同顶锚杆，内测帮锚杆采用玻璃钢锚杆，杆体直径20mm，长度2.0m，使用2支低粘度树脂药卷锚固，规格为Z2360和K2335。采用Φ16mm钢筋焊接的托梁护帮，钢带宽度80mm，长度2800mm。外侧帮采用金属网护帮，内侧帮采用高分子塑料网护帮，网孔规格50mm×50mm，网片规格2900mm×1000mm。锚杆排距900mm，每排4根，间距800mm。锚杆预紧扭矩都为400N·m，锚索预紧力都为300kN。巷道支护布置示意图，见图5。

图5 3201开切眼支护简图

（3）矿压监测：3201切眼锚杆受力见图6，从监测结果得出，锚杆初始预紧扭矩400N·m时，锚杆初始预紧力42kN～100kN之间，此后锚杆受力基本稳定，说明锚杆初始预紧力设计合理，能很好控制巷道围岩，防止围岩离层、破碎扩容的发生，保持其完整性，充分发挥其主动支护作用。其中锚杆受力最大为100kN，低于锚杆破断载荷，说明锚杆支护设计合理。3201切眼锚索受力见图7，从图得出，锚索初始预紧力为280kN和300kN，此后由于受到掘进动压的影响，锚索逐渐增加，最后锚索受力始终保持在300kN左右，说明锚索初始预紧力300kN设计基本合理，能够很好控制顶板离层、变形破碎的发生，充分发挥主动支护作用，防止顶板垮落冒顶事故发生。

图7 3201切眼锚索受力监测曲线

5 结论

（1）研究发现，霍尔辛赫大断面煤巷变形破坏形式主要表现为：两帮内挤、片落；平顶巷道顶板弯曲下沉、断裂；底板底臌。（2）针对霍尔辛赫大断面煤巷围岩变形特征，使用高预应力、高刚度、高强度锚网支护系统，可实现一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。（3）数值模拟分析得出，霍尔辛赫大断面煤巷应加强顶板和两帮支护，防止顶板垮落和两帮片帮现象发生。（4）通过霍尔辛赫首采工作面开切眼等煤巷现场支护试验表明，高预应力、高刚度、高强度锚杆锚索支护系统能够抵抗矿井大断面煤巷的各种压力显现，支护效果明显，巷道两帮位移量和顶板下沉量最大仅为10mm，能够满足现场生产需要，试验效果良好。

[1] 康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[2] 吴拥政.全长预应力锚固强力支护系统的应用研究[J].煤炭科学技术，2011,39（11）:27-30.

[3] 山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，煤巷锚杆支护技术研究[R]，山西：山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，2010.

Anchor Nets Support Technology in Large Section Coal Roadways of Huoerxinhemine

ZHANG Jun-peng
(Shanxi International Huoerxinhe Coal Co.,Changzhi Shanxi 046600)

To solve the problems of bolt supporting system in the large section roadways of Huoerxinhemine,we analyzed the causes and found out that the prestress of bolt(anchor)was the key in the system.Statistical simulation was used to study the bolt preload,lengths,intervals,anchoring patterns,angles,steel belts,and stress effects of anchor preload.Though industrial testing andmonitoring of bolt and anchor stress,a high prestress intensive bolt-anchor support system was established with 400N·m bolt pre-torque and 333KN anchor preload,which could improve the supporting effect and control the surrounding rocks deformation effectively.

bolt support;extended anchor;intensive support;combined support

TD353

A

1672-5050（2012）10-0046-04

2012-07-09

张军鹏（1981—），男，山西阳城人，大学本科，工程师，从事煤矿生产技术管理工作。

樊 敏