锚杆锚索联合支护技术在碎裂厚煤层巷道中的应用＊

于 辉 孔令根 牛智勇 张清清 郝才成

（中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

锚杆锚索联合支护技术在碎裂厚煤层巷道中的应用＊

于 辉 孔令根 牛智勇 张清清 郝才成

（中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

针对中煤平朔井工二矿碎裂厚煤层工作面运输巷道片帮严重，且存在冒顶危险，提出了锚杆锚索联合支护技术。根据该矿的实际地质条件确定了相应的支护方案。运用FLAC3D数值软件对该方案进行了模拟分析，认为该方案可以有效增加巷道围压，减小巷道位移变形。现场应用显示，该支护方案可行，控制效果良好。

碎裂厚煤层 松软巷道 巷道支护 支护方案 FLAC3D数值模拟 现场观测

中煤平朔井工二矿拟开采B911工作面，由于煤层埋深大，使得工作面运输巷道处于复杂的地质环境和强大的地应力作用之下，加上顶板岩层完整性差、裂隙发育，两帮煤层松软易膨胀，由于支护方案选择不合理，工作面回采过程中巷道矿山压力显现剧烈，出现顶板破碎形成网兜、顶板和两帮变形量大、部分锚杆脱帽等现象，严重影响了工作面的正常、安全生产。虽经多次返修维护，但仍然难以保持稳定。

为了保证巷道围岩的稳定，决定对该巷道改变支护方式，采用锚杆锚索联合支护。通过数值模拟运算，并结合现场试验证明，锚杆锚索联合支护形式可以有效地改善围岩应力状态，减小巷道变形，具有良好的支护效果。

1 工程概况

B911工作面现开采9＃煤层，煤层以半亮型煤为主，块及粉状，结构复杂，含2～7层夹矸，岩性多以泥质岩为主，局部含有粉砂岩薄面。煤层埋深765 m，倾角2°～6°，平均4°，属于近水平煤层；煤层厚0～13.76 m，平均10.09 m，属特厚煤层；煤质酥软，硬度系数1～2。直接顶以中粗砂岩为主，有时为细砂岩，局部含有灰黑色泥岩；直接底以砂质泥岩为主，灰～灰黑色，含植物叶片及根部化石，有时含灰色砾岩。

B911工作面运输巷在掘进成巷过程中穿越4条断层，在断层附近涌水严重，具有冒顶的潜在危险。由于煤体强度较低及受水平应力的强烈影响，运输巷道局部区域出现了严重的支护构件失效情况。根据现场调研及理论分析，提出采用锚杆锚索联合控制支护技术，对破碎松软围岩进行控制。

2 锚杆锚索联合支护方案

2.1 锚杆锚索联合支护原理

巷道开挖后，顶板周边的垂直支承应力减小，顶板一定范围内的岩层水平压应力增高，在顶板岩层中形成垂直约束小、单向水平挤压应力作用的拱形区。当巷道支护参数 （锚杆长度、间排距）选择合适，对于矩形煤巷，其围岩体锚固系统的初期结构形式是挤压加固梁或称承载梁，形成锚固平衡拱，增强锚固范围内岩体的强度和承载能力，从而保持围岩自身稳定。所以锚杆支护的最大作用是成拱作用，而锚杆的约束和抗剪作用则是锚杆发挥成拱作用的必要条件。所以，锚杆的成拱作用大小与锚杆支护形式和参数有关。

锚索与单体锚杆的作用功能是一样的，既有加固围岩的作用，也有悬吊下部松动岩石的作用。两者的区别在于锚索可以锚固在围岩深部的稳定岩层中，而锚杆因其长度较短，在围岩条件较差的情况下，锚杆不能锚固在稳定的岩石中，此时锚杆的悬吊作用很小，主要靠其加固作用和锚杆群的成拱作用控制围岩变形，提高围岩的承载能力。

2.2 联合支护参数

根据工作面地质状况及锚杆锚索联合支护原理，形成了如图1所示的B911工作面运输巷道锚杆锚索联合支护方案。巷道沿煤层底板掘进，断面一次成型，矩形断面，断面宽5.0 m，高3.5 m。

（1）顶板支护。顶板采用锚杆、锚索联合支护方式。锚索为ø17.8 mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线锚索，双排布置，锚索长7.3 m，孔深7.0 m，间距1.8 m，排距2.0 m，锚索预紧力不低于120k N。每根锚索距巷帮1.6m，垂直顶板布置，每根锚索采用一支K2335和两支Z2360树脂药卷进行锚固。锚杆采用ø22 mm×2400 mm左旋无纵筋螺纹钢高强度锚杆，间距900 mm，排距1000 mm，每排布置6根，其中煤帮侧锚杆距煤帮250 mm，与铅垂面成15°角，其余均垂直顶板布置。每根锚杆使用一支K2335和一支Z2360树脂药卷进行锚固。锚固力不低于64 k N，扭矩不低于120 N·m。

（2）两帮支护。靠区段煤柱侧帮采用ø18 mm×1700 mm左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆护帮；靠工作面侧煤帮采用ø18 mm×1700 mm玻璃钢锚杆护帮。每排布置3根锚杆，间距1200 mm，排距1000 mm。最上位锚杆距顶板300 mm，且与水平面成＋15°角；其余锚杆水平布置。每根锚杆采用一支Z2335树脂药卷锚固，锚杆锚固力应不低于30 k N，扭矩应不低于90 N·m。

图1 B911工作面运输巷锚杆锚索联合支护方案

3 支护方案数值模拟分析

3.1 计算模型的建立

为了预测采用锚杆锚索支护技术后巷道的支护效果，采用FLAC数值模拟软件对巷道稳定性进行分析。

针对该矿的地质采矿条件，根据采矿工程问题特点，建立相应的数值分析模型，考虑边界效应的影响，模型尺寸为50 m×30 m×46 m，由于要分析巷道四周围岩的应力状况与移进量，所以巷道周围的网格划分较密，共划分为31200个单元和34440个节点。

力学模型采用莫尔-库仑 （Mohr-Coulomb）弹塑性材料模型，各岩层所取力学参数见表1。采用位移边界条件，模型的侧边界限制水平移动，模型下边界固定，上边界自由。

表1 模型岩层力学参数

图2 支护巷道围岩应力图

3.2 数值模拟结果及分析

3.2.1 巷道围岩应力分析

施加支护体系后巷道围岩应力如图2所示，从图2中可以看出，由于巷道的开挖破坏了相应岩层的原岩应力，围岩应力重新分布，部分应力升高，部分应力降低。垂直应力在巷道的两帮形成应力集中，这主要是由于锚杆的锚固作用。巷道顶板不存在应力为零的区域，这是由于施加锚杆支护后，锚杆对顶板岩层施加预紧力，阻止顶板向下运动。在巷道顶板和底板的中部垂直应力降低，由于顶板的变形下沉，上覆岩层载荷向巷道顶板两侧和两帮煤体转移，因此引起该区域的应力上升。水平应力也在锚杆和锚索四周形成应力集中，这有利于对围岩施加压力，从而保持巷道稳定。

图3 支护巷道围岩位移云图

3.2.2 巷道围岩位移分析

巷道围岩位移云图见图3，通过对巷道水平位移进行分析得出，巷道两帮水平位移量最大，但位移值并不大，这说明由于受到锚杆的挤压锚固作用，两帮由两向应力变为三向应力状态，改善了应力状态，提高了围岩强度，从而使巷道围岩保持稳定。

当采用锚杆锚索对顶板进行支护后，不仅可以降低锚杆周围岩体的下沉量，还可以控制顶板整体下沉量，锚杆与锚索对下位岩层除悬吊作用外，还可与相邻锚杆作用相互叠加，形成拱形支护结构。锚索可以充分调动巷道深部围岩强度，从而达到对巷道浅部围岩的支护效果。分析认为该方案能够有效地控制碎裂厚煤层煤巷的围岩稳定。

4 现场监测数据分析

在现场方案施工完成后，立即安装测站，采用十字布点法对巷道表面位移进行观测。通过对数据分析和处理，得到顶板和两帮围岩变形规律如图4所示。

图4 巷道表面位移变化规律

经过为期两个月的矿压观测，顶底板最大移近量小于26 mm，两帮最大移近量小于36 mm，与数值模拟分析相近。在巷道开掘后35 d内，围岩变形速率较大，之后变形速率减小，围岩趋于稳定。这说明锚杆锚索联合支护技术能够有效控制巷道围岩，围岩变形量不大，基本处于稳定状态。

5 结语

（1）根据工作面地质状况及锚杆锚索联合支护原理，确定了相关的支护参数，形成了锚杆锚索联合支护方案。

（2）通过数值模拟软件对该方案巷道围岩控制效果进行了数值分析。分析得出实施锚杆锚索支护技术后，围岩支护状态从开放环境到封闭力学环境，应力状态得到改善，巷道顶底板和两帮移近量小，巷道围岩控制效果良好。

（3）通过现场试验，该碎裂厚煤层巷道围岩控制效果明显，围岩基本处于稳定状态，可为类似条件下的厚煤层煤巷控制提供一定的借鉴。

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Combined support technology with bolt and anchor cable in thick broken coal seam

Yu Hui，Kong Linggen，Niu Zhiyong，Zhang Qingqing，Hao Caicheng
（School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

In view of the caving danger of the haulage roadway with thick and broken coal roof in No.2 Mine of Pingshuo Group，the combined support technology with bolt and anchor cable was proposed.According to the geological conditions of the mine，the appropriate support program was determined.The simulation analysis by FLAC3Dsoftware showed that the program could effectively increase the roadway confining pressure，reduce roadway displacement and deformation，and thus keep the stability of the surrounding rock.Site practice showed that the support program was feasible and the control effect was good.

fractured thick coal seam，soft roadway，roadway support，support program，FLAC3Dnumerical simulation，field observation

TD353.8

A

中央高校基本科研业务费资助项目（2011YZ02）

于辉 （1986-），男，山东潍坊人。中国矿业大学 （北京）在读博士研究生，主要从事巷道围岩控制研究工作。

（责任编辑 张毅玲）