四井五区5-2S一片顺槽锚杆锚索支护初始设计

陈仕清 CHEN Shi-qing

（内蒙古平庄煤业（集团）公司五家煤矿，赤峰 024076）

（Wujia Coal Mine of Inner Mongolia Pingzhuang Coal Industry（Group）Company，Chifeng 024076，China）

四井五区5-2S一片顺槽锚杆锚索支护初始设计

陈仕清 CHEN Shi-qing

（内蒙古平庄煤业（集团）公司五家煤矿，赤峰 024076）

（Wujia Coal Mine of Inner Mongolia Pingzhuang Coal Industry（Group）Company，Chifeng 024076，China）

本设计是内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司五家煤矿四井五区5-2S一片顺槽锚杆锚索支护初始设计。在对锚杆进行支护的过程中，采用动态信息支护设计法进行相应的处理。通常情况下，设计步骤主要涉及：调查试验点、评估地质力学，初始设计，综合监测和信息反馈，以及对设计进行修正和日常监测等。本文在详细调查试验地点和评估地质力学参数的基础上，结合积累的设计经验，提出初始设计，主要包括支护形式和参数、支护材料、井下施工工艺和安全措施、矿压监测等相关的内容。该设计实施于井下后，还应得到矿压监测的验证或修改。

五家煤矿；五区5-2S一片；顺槽；支护设计；动态信息设计

0 引言

平煤集团五家煤矿是我国典型的软岩矿井。由于该矿在侏罗纪煤系地层进行开采，在一定程度上使得煤层及顶底板岩层胶结比较差，在特性方面主要表现为：强度低、松散破碎、易风化、易崩解、遇水膨胀等，进而在一定程度上增加了支护矿井采准巷道的难度，普遍存在底臌、片帮、冒顶等现象，在服务期内，使得大部分巷道需要进行多次的翻修，回采工作的正常推进受到严重影响，由此造成巨额的经济损失，更是对现场作业人员的安全构成巨大威胁。

1 锚杆支护设计方法介绍

现有的锚杆支护设计方法很多。受巷道围岩复杂性、多变性的影响制约，通常情况下，采用任何一种单独方法都不能满足相应的要求，进而影响和制约了设计效果。为了使井下巷道符合围岩特性，通常情况下采用的设计方法包括：试验点调查和地质力学评估、初始设计、井下监测和信息反馈、修正设计和日常监测的动态信息设计方法。

2 试验点调查和地质力学评估

对于五家煤矿四井五区来说，其5-2S一片工作面位于五区南翼，在220石门进入回风巷，在180石门进入运输巷；工作面走向长度、倾斜宽、可采长分别为560m、156m、460m。设计回风巷长585m（含15m调车场），坡度0°～7°。运输巷 539m，坡度 0°～5°，切眼 156m，坡度 15°。

五家煤矿四井五区5-2S一片工作面开采5-2#煤层，该煤层上覆5-1#煤层已采。两煤层间距非常小，本工作面范围内5-2#煤底板距5-1#煤底板最近仅6m左右，最远也只有9m左右。5-2#煤层最小厚度、最大厚度、平均厚度分别为3.66m、7.00m、5.99m，含数层夹矸。煤层倾角15-16°，平均15.5°。5-2号煤层单轴抗压强度为4.8MPa，层理、节理较发育，煤层自然发火期1-3个月。直接底为砂质泥岩，单轴抗压强度为23.5MPa，具有膨胀性。

2.1 地质构造 属于单斜构造煤层，地质构造比较简单。

2.2 水文地质情况 水文地质条件简单，水源主要是顶部5-1采空区积水，预计最大涌水量5m3/h。

2.3 地应力 根据辽宁工程技术大学采用应力解除法地应力测试结果，五家煤矿四井五采区的最大主应力σ1=14.0MPa，方位角 220.28°，倾角-10.73°；σ2=11.2MPa，方位角49.50°，倾角97.22°；最小主应力σ3=7.6MPa，方位角129.91°，倾角-4.24°。

2.4 粘结强度测试 采用锚杆拉拔计确定树脂锚固剂的粘结强度。

3 选择巷道支护形式和参数的原则

①一次支护原则。为了避免二次或多次支护，因此在支护锚杆的过程中，通常通过一次支护就能对围岩变形进行有效的控制。

②高预应力和预应力扩散原则。

③高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。

④临界支护强度与刚度原则。

⑤相互匹配原则。

⑥可操作性原则。

4 锚杆支护参数选取

4.1 锚杆预应力 通常情况下，预应力作用一项决定性参数，在一定程度上制约着锚杆支护系统。在选择预应力的过程中，通常依据的原则是：在锚固区不能明显出现离层和拉应力区。通常情况下，在杆体屈服强度的30-50%是锚杆预应力比较合理的取值范围。

4.2 锚杆长度 压应力区范围与厚度随着锚杆长度增加而增大，这时锚杆的作用范围就会相应的扩大。因此，为了形成有效的支护系统，实现良好的支护效果，需要锚杆长度与锚杆预应力、强度相互匹配。

4.3 锚杆密度 对于单根锚杆来说，在一定预应力的作用下，类似锥形的压应力分布区域逐渐在其周围形成，如果锚杆之间的距离过大，那么就会导致单根锚杆形成的锥形压应力区域彼此独立，进而不能形成整体的支护结构。随着锚杆之间距离的缩小，单根锚杆形成的锥形压应力区逐渐靠近、相互叠加，进而在一定程度上连成一体，形成整体的支护结构。通过巩固和强化锚杆的预应力，进而扩大锚杆之间的距离，降低锚杆的支护密度。

4.4 锚固方式 由于锚固方式不同，进而在一定程度上使得锚杆附加应力场分布存在较大的差异。与端部锚固相比，通常情况下，全长锚固与加长锚固的锚固效果要差。通过施加预应力，树脂药卷后固化等，在一定程度上提高全长锚固扩散效果、强化锚固锚杆预应力。

4.5 锚杆角度 应力场分布受到顶板角锚杆角度的影响和制约。通过垂直的方式对顶板角锚杆进行布置。如果对施工需要的角度进行考虑，那么最大角度应该控制在10°。对于锚索来说，上述锚杆支护参数分析同样适用。通常情况下，如果锚索的直径越大、强度越高、长度越大，那么施加的预应力就会相应地增加。与低预应力的长锚索支护相比，高预应力的短锚索支护效果要好。

4.6 钢带的作用 在锚固过程中，锚杆的预应力和预应力起着重要的作用。在预应力支护系统中，护表构件发挥着重要的作用。在一定程度上钢带有助于扩散锚杆预应力，同时显著提高锚杆之间围岩的支护作用，改善支护系统的整体支护效果。

4.7 锚索的作用 锚索的作用通常情况下表现在：一方面连接锚杆支护形成的次生承载结构与深部围岩，次生承载结构的稳定性在一定程度上得到提高，同时可以调动深部围岩的承载能力，在一定程度上使大范围内的岩体进行共同的承载；另一方面对锚索施加较强的预紧力，同时提供有效的压应力，在一定程度上与锚杆形成的压应力区共同构成骨架网络结构，并且能够保持围岩的完整性，同时降低了围岩强度。

5 四井五区5-2S一片工作面顺槽支护初始方案

5.1 设计原则

5.1.1 支护参数确定的原则 ①支护设计确保支护安全。②支护参数和支护材料规格具有较好的适应性和施工可行性。③在确保支护质量的前提下，支护设计要有利于提高巷道掘进速度；④做到经济合理。

5.1.2 确定支护参数的依据 ①已掘巷道现有支护状况和矿压观测数据；②现有科技成果和工程实践经验；③五区5-2S一片工作面详细的地质资料以及地质力学测试数据。

5.2 设计巷道支护断面 相关设备的尺寸在掘进过程中需要重点考虑，同时预留巷道围岩变形量，同时满足通风要求，对五家煤矿四井五区5-2S一片工作面回风巷掘进断面尺寸为：巷道断面呈直墙半圆拱形，宽3.8m，墙高1.2m，掘进断面积为10.23m2；设计运输巷掘进断面尺寸如下：巷道断面呈直墙半圆拱形，宽4.8m，墙高1.2m，掘进断面积14.8m2。

5.3 回风巷锚杆锚索支护参数 回风巷支护布置如图1所示。

图1 回风顺槽锚杆锚索支护图

5.3.1 顶板支护

①锚杆。

锚杆的形式和规格：通常情况下，采用22#左旋无纵筋螺纹钢筋设计杆体，极限拉断力和屈服力分别为186kN、126kN，延伸率18%，长度为2.4m，杆尾螺纹为M24，其长度为150mm。

锚固方式：通过采用树脂进行全长锚固，并且采用三支低粘度锚固剂，其规格分别为一支为K2550，其余为M2575。其钻孔直径30mm。

W护板规格：通过采用W钢护板进行护顶处理，钢带规格：厚、宽、长分别为 4mm、280mm、450mm。

锚杆配件：采用M24×3的高强锚杆螺母，同时配合高强托板调心球垫，以及相应的尼龙垫圈，采用拱型高强度托盘，规格150×150×10mm，承载能力高于180kN。

锚杆角度：打设过程中全部与岩面垂直。

网片规格：采用钢筋网护顶进行处理，网孔和网片的规格分别为 100×100mm、3000×1000mm。

锚杆布置：锚杆排距和间距分别为900mm、850mm，同时每排设置7根锚杆。

锚杆预紧力（扭矩）：≥400N.m。

②锚索。

锚索形式和规格：选用φ22mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线作为锚索材料，极限破断拉力为550kN，延伸率7%，长度4300 mm或者3300 mm，钻孔直径30mm，采用树脂药卷锚固，其规格为K2550和Z2575，并且低粘度，锚固长度控制在1350mm。

采用规格为300mm×300mm×16mm，并且高强度可调心托板及配套锁具设置相应的锚索托盘。

锚索布置：每600mm设置1根锚索，间距控制在1275mm，同时与顶板岩层相互垂直。

锚索预紧力控制在200～250kN。

5.3.2 支护巷帮 锚杆形式和规格：长度为2.4m，杆尾螺纹及长度分别为M24、150mm，22#左旋无纵筋螺纹钢筋设置杆体。

锚固方式：采用三支低粘度锚固剂，通过树脂进行全长锚固，锚固剂的规格为一支K2550，另两支为M2575。

W护板规格：护帮采用W钢护板进行处理，钢带厚、宽、长分别为4mm、280mm、450mm。

锚杆配件：采用高强锚杆螺母M24×3，在一定程度上配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，采用拱型高强度托盘，规格150mm×150mm×10mm，承载能力大于180kN。

锚杆布置：锚杆间距、排距分别控制在600mm、900mm，每排每帮设置2根锚杆。

锚杆角度：在打设过程中，需要与巷帮相互垂直。

锚杆预紧力（扭矩）：≥400N.m。

5.4 运输巷锚杆锚索支护参数 运输巷支护布置如图2所示。

5.4.1 顶板支护

①锚杆。

锚杆形式和规格：采用长度2.4m，极限拉断力186kN，屈服力为126kN，延伸率18%，以及22#左旋无纵筋螺纹钢筋对杆体进行处理。杆尾螺纹及长度分别为M24、150mm。

锚固方式：采用一支规格为K2550，另两支规格为M2575。三支低粘度锚固剂，通过树脂进行全长锚固，钻孔直径为30mm。

图2 运输顺槽锚杆锚索支护图

W护板规格：护顶采用W钢护板进行处理，钢带厚、宽、长分别为4mm、280mm、450mm。

锚杆配件：采用规格为M24×3的高强锚杆螺母，与高强托板调心球垫和尼龙垫圈相互配合，采用规格为150mm×150mm×10mm，承载能力不低于30t的拱型高强度托盘。

锚杆角度：打设过程中全部与岩面垂直。

锚杆预紧力：≥400Nm。

②锚索。

锚索形式和规格：选用φ22mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线作为锚索材料，极限破断拉力为550kN，延伸率7%左右，长度4300(3300)mm，钻孔直径30mm。

锚索托盘：采用高强度可调心托板及配套锁具。

锚索布置：每1800mm打3根锚索，锚索间距1260mm。

锚索预紧力：200～250kN。

5.4.2 巷帮支护

锚杆形式和规格：选用长度2.4m，极限拉断力186kN，屈服力为126kN，延伸率18%，其22#左旋无纵筋螺纹钢筋对杆体进行处理。

锚固方式：树脂全长锚固，采用一支规格为K2550，另两支规格为M2575三支低粘度锚固剂。

W护板规格：采用W钢护板护帮，钢带厚度4mm，宽280mm，长度450mm。

锚杆配件：采用高强锚杆螺母M24×3，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈。

网片规格：护帮采用菱形金属网处理，网孔、网片规格为 60×60mm、2000×1300mm。

锚杆布置：锚杆间距、排距分别为600mm、900mm，每排每帮设置2根锚杆。

锚杆角度：垂直巷帮打设。

锚杆预紧力：≥400Nm。

6 井下施工工艺

6.1 巷道顶板支护的施工工艺流程

掘进打掉危岩出煤临时支护钻顶板中部锚杆孔清孔安装树脂药卷和锚杆用锚杆机搅拌树脂药卷至规定时间停止搅拌并等待1分钟左右铺钢筋网拧紧螺母到设计预紧力从中向外依次安装其它顶板锚杆。

6.2 帮锚杆施工工艺

钻孔、清孔安装树脂药卷和锚杆搅拌树脂药卷等待1分钟左右挂网上钢护板、托盘、调心球垫、减摩垫片、螺母拧紧螺母到设计预紧力依次安装其它帮锚杆。

[1]陈俊,董伟.锚索支护技术在口孜东煤矿的应用[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2010(04).

[2]杨红旗,王振.综采面切眼锚网、锚索支护技术及施工工艺[J].价值工程,2011(13).

[3]宋荣普.爱民温都煤矿软岩巷道支护技术研究及应用[D].辽宁工程技术大学,2011.

The Fourth Well Fifth District 5-2SFirst Piece Crossheading Bolt Anchor Supporting Initial Design

The design is the initial design of fourth well fifth district 5-2Sfirst piece crossheading bolt anchor supporting in Wujia Coal Mine of Inner Mongolia Pingzhuang Coal Industry (Group)Company.In the process of supporting bolt,using dynamic information support design method to carry on appropriate treatment.Typically,the major steps involved in the design:survey test points,geomechanical assessment,initial design,integrated monitoring and information feedback,as well as the amendments and daily monitoring to the design.On the basis of detailing the test site and evaluating the geomechanical parameters,combined with the accumulation of design experience,this paper proposes initial design,which includes supporting form and parameters,supporting materials,underground construction techniques and safety measures,mine pressure monitoring and other related content.This design should be verified or modified of pressure monitoring after implemented in the underground.

Wujia coal mine；the fifth district 5-2Sfirst piece；crossheading；support design；dynamic information design

陈仕清（1970-），男，内蒙古赤峰人，中级（采矿工程师），平庄煤业（集团）正处级，研究方向为煤矿井巷支护。

TD353

A

1006-4311（2014）11-0105-03