基于能量校核的强矿压全煤巷道强力锚索顶板支护系统的设计应用

，，，

(1.华亭煤业集团有限责任公司 砚北煤矿，甘肃 华亭 123000；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

基于能量校核的强矿压全煤巷道强力锚索顶板支护系统的设计应用

丁小敏1，安建岗1，武彦平1，石蒙2

(1.华亭煤业集团有限责任公司砚北煤矿，甘肃华亭123000；2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

强矿压显现情况下特厚大断面全煤巷道围岩离层和结构变形严重，普通低强度支护方式不能对巷道破坏进行有效控制。为提高支护效果，保持围岩的完整性与稳定性，采用基于能量校核的不等长完全强力锚索顶板支护系统进行支护。通过理论计算和现场实践表明，这种新型支护设计方法的支护承载力超过矿压显现的能量释放，长短结合的锚索支护显著提高了支护的可靠性和安全程度，降低巷道维修成本，应用效果显著。

能量校核；强矿压；不等长；强力锚索；设计应用

受构造应力、开采深度及煤层特性等特殊地质条件的影响，砚北煤矿采掘工作面特别是2502采区强矿压显现强度和频率不断增加，来压使顶板瞬间下沉，普通支护下网片与钢带撕裂，多个锚索被拉断或退锚，锚杆失效，对巷道支护系统和生产设施造成了严重的破坏，对作业人员构成严重的安全威胁。2011年全矿共发生震动2372次，能量105J以下的2172次，能量105～106J之间的200次，106J以上的6次，破坏性来压共发生75次，来压累计导致3088m巷道遭到不同程度的破坏，最大顶板下沉量1.1m、最大底鼓高度1.3m，特别是2011年10月16日发生在250204工作面运输巷原定200m安全警戒区外的强矿压显现，导致巷道支护严重破坏失效(如图1所示)，矿压问题对矿井安全生产威胁日趋严峻。

图1 强矿压显现下巷道支护破坏严重情况

为提高采掘工作面的顶板安全系数，保证矿井生产安全，迫切需要对现有普通低强度支护方式和支护参数进行改进。

1 原有顶板支护状况分析

1.1 巷道基本情况

250203工作面区域内构造较为复杂，褶皱构造发育。从南向北由背斜过渡到向斜，且沿走向次级褶曲发育。地面标高1943～1627m，巷道标高1009.5～1070.2m。巷道顶板岩石为粉砂岩，硬度为3.8～4.9，厚度为5.0～18.2m，灰白色巨厚层状，胶结致密；底板为含砾砂岩，硬度为2.1～3.4，厚度为1.6～11.6m，灰白-黑褐色。

1.2 原巷道支护参数

采用锚网索带联合支护方式。顶锚杆为矩形布置，间排距为810mm×800mm，每排8套φ22-M24-L2400mm锚杆，靠近两帮的2根锚杆与水平线呈30°角，其他6根锚杆与巷顶轮廓线垂直，每根锚杆使用2支锚固剂，一支为K2335型，另一支为Z2360型。W钢带型号为W280-2.75-5892-810×8，每排1片；顶锚索型号为φ17.8mm×7300mm，五花眼布置，间排距为1600mm×800mm，每根锚索使用3支锚固剂，一支为K2335型，另两支为Z2360型。单层铺设B900-L3400菱形金属网，顶网之间、顶帮网间搭接不少于100mm，使用铅丝逐环双排联结，要求环环相扣，连接时至少拧3圈。

1.3 原支护方案存在问题

(1)顶网撕裂 由于金属网的强度不够，无法有效增加锚网支护的整体效果，当巷道出现强矿压显现时，不能有效传递锚杆(索)间的荷载，导致金属网强行拉断，漏顶的现象常常发生。

(2)顶板急剧下沉、锚索断裂退锚、锚杆错移失效 原有锚索强度偏低、延伸率小，加之锚索间距偏大，锚杆与锚索之间整个围岩的整体性支护强度不够、互补支护性不好，在强矿压来临的时候造成顶板突然严重下沉，最大1.0m，出现顶板离层现象，导致巷道出现严重的锚杆错移失效、锚索断裂退锚等现象。

2 顶板支护参数设计

能量校核设计法的实质为：巷道支护系统的变形能必须满足巷道围岩破坏过程中释放的能量，以支护系统的最大动载荷作为判断巷道支护设计能否适应冲击要求的指标，对冲击矿压巷道支护设计进行校核[1]。

砚北矿2502采区巷道安装了矿压监测设备，视巷道支护系统承受的能量为监测设备测得的能量，且考虑到安全因素，以矿压显现的最大能级进行核算，认为破坏性矿压显现的最高能量为1×106J级别。以矿压显现的最大能级核算以每排0.8m，巷宽5.5m为校核单元，视每排巷宽在冲击能量作用范围内为点结构。根据功的物理学定义：视冲击功W为矿压显现的能量KE；0.2m为设计顶板支护体下沉量，即冲击功作用下的位移S。依据公式F=W/S计算：

F=W/S=KE/S=6000(kN)

(1)

式中，K为支护安全系数，取1.2；S为巷道允许下沉量，0.2m；E为有破坏性矿压显现的最高能量，1×106J。

即每排巷顶承受的冲击动载荷为6000kN左右。

2.1 原支护方案载荷校核

原先支护采用8根φ22mm-M24-2400mm锚杆和4根φ17.8mm×7300mm锚索进行顶部支护，其支护的最大承载力为

8×304+4×353=3844(kN)

式中，8为锚杆数量；304kN为直径22mm的锚杆的破断载荷；4为锚索数量；353kN为直径17.8mm的锚索破断载荷。

根据计算，原设计中支护承载力3844kN根本达不到强矿压显现能量释放所需要的承载力6000kN，为确保顶板安全，现有支护必须达到或超过矿压显现能量释放所需要的承载力。

2.2 最终顶板支护方案设计

2.2.1 煤体松动圈测定

锚网支护参数的合理确定，应依据围岩的破坏范围和载荷来确定[2]。为此，需要开展松动圈的测试来确定围岩的破坏范围。通过对250203两巷两帮测点数据进行筛选分析处理，得到声时的变化曲线(如图2所示)。可以看出，两巷上下两帮的松动圈大小约在2.2m左右。

图2 250203两巷两帮声时的变化曲线

2.2.2 主要支护体长度的确定

根据测定的围岩松动圈，锚杆的锚固长度为1.3m，只有支护体长度不小于3.5m=(2.2m+1.3m)时，才能使锚固体处于稳定的围岩中，充分发挥有效作用[3]。

2.2.3 锚索(杆)的选用

马克思主义与功利主义（实用主义）的论争也即“问题与主义”之争，是在科学社会主义传入中国之后，马克思主义与反马克思主义进行的第一次比较著名的论战，对马克思主义及其公平思想的传播产生了较大影响。

原设计采用φ17.8mm，17股锚索，该锚索强度偏低、延伸率小，使得整个围岩的整体性不够好，在动压来临的时候造成局部变形过大而破坏。增加锚索的强度，使之能与锚杆充分发挥互补性能的联合支护[4]。新设计中长锚索采用φ22mm×7300mm，1×19股高强度低松弛预应力强力锚索，间排距1600mm×1600mm，垂直巷顶轮廓线安装在巷道中部。锚索每排4根布置。短锚索采用φ22mm×3650mm ，1×19股高强度低松弛预应力强力锚索，代替原支护中W钢带中间的6根顶锚杆，间排距800mm×800mm。原支护的破断载荷为353kN,延伸率为4%，现支护与原支护相比锚索破断载荷增强72%，延伸率增加75%。每排2套φ22-M24-L2400mm锚杆，布置在W钢带两端部。

2.2.4 金属网和保护件选用

原设计中金属网柔性过大，强度和刚度不够，不能有效传递锚杆间的载荷，现场发生撕裂等现象，为能更好地抵抗强矿压的冲击，必须在金属网和托盘上加强其强度和刚度[5]。铺设B900-L2800mm金属网双层护顶，顶网之间、顶帮网间搭接不少于150mm；钢带采用型号为W280-3-5790-800×8；锚索托盘采用300mm×300mm×12mm，材质为Q2345锰钢大托盘。

2.2.5 最终支护设计载荷校核

现顶板支护破断载荷计算如下：

2×304+10×607=6678(kN)

式中，2为锚杆数量；304kN为直径22mm的锚杆破断载荷；10为锚索(4根7.3m，6根3.65m)数量；607kN为直径22mm的锚索的破断载荷。

3 使用效果

经过250203上运输巷近6个月的使用情况来看，使用期间，经受了从掘进开始到回采期间所有强矿压的考验(最大能级1MJ)，实现了在强矿压显现时顶板支护体的极小破坏，有效控制了顶板下沉量，达到了良好的现场效果。矿压观测数据表明，在同类条件下，采用全新的锚网索支护的煤巷，围岩变形量比采用原先支护减少25.8%～39.8%。顶板安全状况得到明显改善(图3)，巷道维护成本明显下降。

图3 顶板变更支护后效果

变更设计后现有支护有明显的技术与经济优越性，突出表现在：

(1)支护强度大幅提升 是变更前的1.74倍，对强烈冲击的安全适应性显著提高。全新的锚网索支护技术，采用性能优越的高强度锚网索支护材料，短锚索能利用其锚固力对围岩固有破坏区实施有效支护，恢复和提高破裂围岩的残余强度；长锚索深入煤岩层内部，可以传递较大的拉应力，显著提高了支护的可靠性和安全程度，尤其加强了强冲击巷道支护的安全可靠性。

(2)锚索长短互补 根据松动圈测试结果，采用长锚索(7.3m)和短锚索(3.65m)结合，增加煤层结构的稳定性。另外，淘汰φ17.8mm，1×7股加长锚固锚索，采用φ22mm，1×19股加长锚固强力锚索增强了支护强度和延伸率。

(3)改进托板结构 平面托板强度低，适应性差，当锚索预紧力和承受的载荷比较大时，平托板四周易翘起, 托板承载显著降低，容易造成锚索断裂或托板锚索钻孔撕裂。采用拱形托板，一方面托板的承载能力显著提高，且具有一定的变形性；另一方面，托板改善了锚索受力状态，使锚索支护能力得以充分发挥。

(4)改善金属网的变形能力 增加金属网的强度，可以有效传递锚杆间的荷载，进而有效增加锚杆支护的整体效果，适用于大变形高地应力和冲击地压巷道。

4 结论

(1)为确保顶板安全，提高支护效果，支护必须达到或超过矿压显现能量释放所需要的承载力。

(2)基于能量校核的不等长完全强力锚索顶板支护系统在强矿压特厚松软大断面全煤巷道的设计应用中效果显著，通过技术革新，巷道维修成本大幅降低，支护的可靠性和安全程度得到提高，有效地遏制了煤矿强矿压条件下顶板事故的发生。这种全新的锚网索支护技术是可行的，具有一定的推广价值。

[1]鞠文君.冲击矿压巷道支护能量校核设计法[J].煤矿开采, 2011, 16(3): 81-83.

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

[3]袁前进.岩巷掘进爆破对围岩稳定性影响的研究[J].煤矿开采，2009，14(3): 100-102.

[4]康红普，林 健，吴拥政.全断面高预应力强力锚索支护技术及其在动压巷道中的应用 [J].煤炭学报，2009，34(9): 1153-1159.

[5]康红普，王金华，林 健.煤矿巷道支护技术的研究与应用[J].煤炭学报，2010，35(11)：1809-1814.

[6]康红普，王金华，林 健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用[J].煤炭学报，2007，32(12)：1233-1238.

[7]徐青云.煤巷预应力锚索工程特性探讨[J].山东：煤炭科技，2009(6)：116-117.

[8]赵光荣.锚索超张拉理论研究与应用[J].煤，2011，20(7)：22-23，96，100.

[责任编辑：林健]

Design and Application of Strong Anchored Cable Supporting System forCoal Roadway with Strong Pressure Based on Energy Check

DING Xiao-min1, AN Jian-gang1, WU Yan-ping1, SHI Meng2

(1.Yanbei Colliery, Huating Coal Group Co., Ltd., Huating 123000, China;2.Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Surrounding rock separation and supporting structure deformation was very serious in large-section coal roadway in extremely-thick coalseam under strong underground pressure, and common low-strength supporting manner could not control effectively roadway deformation.In order to improve supporting effect and keep surrounding rock integrity and stability, applying unequal-length strong anchored cable to supporting roof based on energy check.Theoretical calculation and on-the-spot practice showed that supporting capacity of this system exceeded energy released from underground pressure behavior.Long-and-short anchored cable obviously improved supporting reliability and safety degree, and reduced roadway maintenance cost.Application effect was significant.

energy check; strong underground pressure; unequal length; strong anchored cable; design and application

2014-03-03

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.013

国家科技支撑计划课题(2012BAK04B06)；中国煤炭科工集团科技创新基金项目：动压巷道水力压裂卸压机理研究(2013QN011)；天地科技开采设计事业部青年创新基金项目：高效多功能可移动钻机平台设计与开发(KJ-2013-TDKC-18)

丁小敏(1975-)，男，甘肃甘谷人，高级工程师，华煤集团新柏煤矿矿长。

丁小敏，安建岗，武彦平，等.基于能量校核的强矿压全煤巷道强力锚索顶板支护系统的设计应用[J].煤矿开采，2014，19(6)：47-49，73.

TD353

A

1006-6225(2014)06-0047-03