锚杆索支护技术在大断面综放开切眼的应用

胡立年

（山西晋城煤炭规划设计院，山西 晋城048000）

随着我国高产高效的综合机械化采煤的发展，松软煤层煤矿开切眼的支护方式越来越被要求在效率、便捷和安全上与综采方式相配合［1－3］。针对于东方煤矿开切眼传统支护方式存在的问题以及锚索支护技术在我国煤矿中的发展，提出了在煤矿开切眼进行锚杆索支护技术的研究和探索，并在2111工作面进行了工业性试验，取得了良好的效果。

1 现有支护方式及锚杆索支护的优越性

东方煤矿2111轻放工作面开采平均厚度为5.2m的2号煤层，煤质松散破碎，硬度系数为0.4。老顶为中砂岩，厚度6.0m，深灰色，以石英和长石为主，泥质矽质胶结，含水。直接顶为粉砂岩，厚度5.5m，深灰色，含有植物化石，节理发育。直接底为粉砂岩，厚度10.0m，深灰色，中部含有矽质结核，下部砂质明显，含植物化石。老底为细砂岩，厚4.4m，灰色，以石英石为主，钙质胶结，上部为厚层状，含云母，下部为薄层状。开切眼的支护方式为工字钢对接梁支护，开切眼支护示意图如图1所示。

这种传统的支护方式的不足之处有：①开切眼巷道断面较大并且此支护方式为被动支护，只有在矿压显现时才会起作用；②支护强度较低，巷道变形量非常大，矿山压力向煤帮深处转移，造成煤壁松散破碎，导致工作面初采时推进困难，经常发生煤壁片帮及架前冒顶事故。③工字钢支护的工作面切眼空间狭窄，给轻放支架的运送、安装带来很大困难。

图1 开切眼支护示意图

针对现场的情况和高产高效地机械化采煤的要求，提出将锚杆索支护应用于开切眼的支护的方法。

相对于传统的工字钢对接梁开切眼支护方式，锚杆索支护的优点主要有：①锚杆支护为主动支护，能充分利用围岩的自承能力，将荷载体变为承载体，有利于保持巷道围岩的长期稳定；②锚杆索锚固技术支护能力大，材料消耗少，支护成本低；③施工过程简单便捷，安全可靠，便于综放支架的安装。

2 开切眼锚杆索支护数值模拟分析

2.1 数值模拟计算

东方矿2111工作面开切眼巷道，该面为轻放工作面，平均采深452m，煤层平均厚度5.2m。开切眼模型为水平模型，主要研究锚杆索对开切眼的控制效果。模拟软件采用UDEC，开切眼两侧为实体煤，其计算模型选取铅垂向上为y方向，沿煤层走向为x方向。考虑到巷道变形的影响范围，根据弹塑性理论，选取5倍以外的区域作为计算模型的边界。y向顶板岩层取34.8m，上边界加载均部载荷，简化模型结构；底板岩层取12.6m。在x向上，左侧取23m，右侧取21.8m。开切眼宽为5.2m，高2.6m，其断面面积为13.52m2。计算模型的尺寸为50m×50m（如图2），侧应力系数取3／4，开切眼围岩本构关系采用摩尔－库仑模型。模型上部边界条件为应力边界条件，应力为均布载荷q，其值q＝8.263MPa。下部边界条件为位移边界条件，在x方向上可以运动，y方向上为铰支。左侧和右侧边界条件为位移边界条件，在y方向上可以运动，x方向上为铰支。

根据煤矿现有的支护材料，首先选择了材料的型号，顶板支护的锚索选用直径15.24mm的1×7股锚索，锚杆选用直径22mm的螺纹钢锚杆，巷帮支护的锚杆选用直径18mm的圆钢锚杆。

针对大断面开切眼的设计尺寸，主要针对锚杆索支护的间排距参数设计了11个不同的模拟支护方案，见表1。

图3、图4给出了无支护状态下方案1和锚杆索支护下方案3的巷道围岩位移的数值模拟计算结果。

图2 计算模拟模型

表1 支护方案设计表

图3 围岩位移等值线图（无支护方案1）

2.2 数值模拟计算结果分析

通过数值模拟计算，巷道围岩变形量见表2。

由表2比较显示，在无支护时巷道会自然垮落，与两帮的收敛相比，顶板垮落情况更加严重。在锚杆索支护方案中，方案3顶板采用3根锚索、8根顶锚杆和5根帮锚杆，顶板下沉量、底鼓量以及两帮收敛都最小，说明锚杆索支护能有效地控制顶板下沉，在实际工程中，由于锚索可打到直接顶完整稳定岩层中，可将顶部松软破碎煤岩层部分进行加固并悬吊于完整坚硬的直接顶上，采用锚索支护能够较好的控制顶板离层；同时我们还得到如果锚索和锚杆数量的减少、排距增加会造成对顶板的控制减弱，顶板下沉量会增加，同时顶板下沉导致两帮承载增大，进而两帮收敛加剧。

图4 围岩位移等值线图（锚杆索支护方案3）

表2 巷道围岩变形量统计表

通过对包含上述计算内容的全部结果的分析，锚杆索支护方案对于围岩稳定性控制效果最好。采用该设计方案，既可对顶部松软破碎巷道围岩起到加固作用、提高围岩的强度，也可利用锚索悬吊作用防止顶部煤岩层产生离层，使顶部岩层成为一个整体，提高围岩的自身承载能力，有效控制巷道围岩变形。

3 支护技术方案与工程实践

结合现场的工程条件确定2111工作面现场的锚杆索支护方案示意图如图5所示。

图5 锚杆索支护布置图

顶板支护采用锚索、锚杆、W钢带和锚网支护，其中锚索规格为直径15.24mm，长度6500mm，每排3根，间距2600mm，排距1400mm。顶锚杆采用直径22mm的螺纹钢锚杆，其中角锚杆长度2600mm，垂直锚杆长度2200mm，每排布置8根锚杆，锚杆间距为700mm，排距为700mm。帮锚杆采用直径18mm的圆钢锚杆，其中上角锚杆长度2200mm，水平锚杆长度1800mm，每排布置5根锚杆，锚杆间距为500mm，排距为700mm。

锚杆索支护施工工艺顺序为：落煤→找平顶帮→铺设顶网→架设W钢带→架设临时支护→打顶锚杆钻孔→安装顶锚杆→钻锚索孔→安装锚索→预紧锚索→打帮锚杆钻孔→安装帮锚杆→铺设塑料网护帮→清理设备，这样每排依次进行。开切眼锚杆索支护施工技术要求及注意事项如下：为保持切眼巷到顶帮煤体完整，使煤体自身强度保持最大，应及时对开挖出的巷道进行支护；严格控制巷道宽度，超挖量不得大于200mm，当超挖量大于200mm时，必须采取追加锚杆支护，并保证顶板和巷帮煤壁平直；锚索、锚杆预紧力不得小于设计值；要成立质量监督小组每班进行监测，包括跟头和后路，锚杆的抽查比例不少于1／3，每根锚索、支柱都要进行监测。

在开切眼锚杆索支护试验段中布置了测站对巷道表面位移量进行观测，观测结果如图6所示。

图6 实测围岩表面位移量

由图6及其他的测量结果可以看出，在观测的30天中，巷道断面收敛率不大，仅有14.45%，顶板下沉量为212mm，数值相对较大，这是由于顶板煤层和岩层离层，锚索之间顶板形成网兜所致，而两帮收敛量和底臌较小。所以两帮和底板得到了有效控制。开切眼初期收敛速度比后期收敛速度略大，两帮和底板经过7天左右巷道收敛速度就趋于稳定，顶板所需时间较长，大约半月左右才趋于稳定。

4 结论

在2111轻放工作面大断面开切眼中采用锚杆索支护技术控制围岩，取得了良好的技术经济效果，这主要表现在：在巷道安全方面有效地维护围岩稳定性，保障了巷道的安全使用；在支护技术方面，从根本上改变了我矿传统的工字钢、坑木支护的被动支护方式，支护能力大为提高，有效控制了开切眼围岩的稳定性；在经济效益方面，减少物料搬运量，减轻了工人劳动强度，提高了轻放支架安装速度和质量，显著降低支护材料的成本。

［1］曹胜根，钱鸣高，缪协兴，等.综放开采端面顶板稳定性的数值模拟研究［J］.岩石力学与工程学报，2000，19（4）：472－475.

［2］洪杰.介板沟煤矿软岩大巷变形破坏机理及控制技术研究［J］.中国煤炭，2012，38（5）：58－61.

［3］徐春宇，苏多云.大断面复合顶板回采巷道锚杆索支护试验［J］.矿业安全与环保，2004，31（4）：13－14.

［4］康福钧，孙占成.特厚软煤层底板软岩开拓巷道合理支护参数研究［J］.中国煤炭，2012，38（5）：49－51.