高矿压顺槽无梁带锚网支护研究

2018-07-30白新荣田庚有

陕西煤炭 2018年1期

白新荣，田庚有

(陕西澄城董东煤业有限责任公司，陕西渭南 715200)

0 引言

董东煤业公司井下因受东西两个大断层(落差均超过100 m)的影响，两顺槽在回采过程底鼓、帮鼓严重，既给安全带来很大威胁，又增加了生产成本。尤其是近年来开采过程中后巷需配备专业队伍起底扩帮，影响生产效率，严重影响矿井经济效率。文章以50122工作面为例，对无梁带锚网支护进行了探索。

1 顺槽支护优化前状况

1.1 煤层地质情况

以50122工作面为例，5#煤为亮煤及暗煤组成，含黄铁矿结核，煤层厚2.3～4.6 m，平均厚3.3 m，属较稳定煤层，一般含夹矸一至二层，下矸较稳定，厚0.2～0.6 m，夹矸多为炭质泥岩及砂质泥岩，在5#煤层与K4之间，局部有一层4#煤，厚0.1～0.3 m。

5#煤直接顶为褐黑色粉砂岩、砂质泥岩，含较多植物根部化石及炭化植物碎片，厚0.3～1.2 m。老顶为深灰色粉砂岩，顶部褐灰色含较多植物根部化石，中下部夹细粒砂岩薄层，其缓波状层理，含黄铁矿结核，含植物碎片化石，厚6.6 m。直接顶和老顶间含一层4#煤，厚0.1～0.4 m。5#煤底板为灰色石英砂岩，细粒，粉砂质，泥质成分较多，厚0.3～0.6 m。

1.2 顺槽原来支护参数

巷道断面及支护：50122进风巷沿5#煤层顶板掘进，矩形断面(4 000 mm×2 800 mm)，支护方式采用锚网索钢带联合支护。

锚杆：顶、帮锚杆均采用φ20 mm×2 200 mm左旋无纵肋螺纹钢式树脂锚杆，矩形布置，顶部间、排距760 mm×800 mm，帮部间、排距800 mm×800 mm，如图1所示。

图1 50122进风巷顶部支护平面图

钢带：采用4 000 mm W型钢带(型号WX160/4)，孔距760 mm。

锚杆托盘：顶部采用与钢带型号匹配的150 mm×150 mm×8 mm W型钢带托盘，帮部采用钢带托盘外加钢托盘，钢带托盘为300 mm×280 mm W型钢带(型号WX280/4)，钢托盘采用Q235钢加工而成，规格150 mm×150 mm×8 mm。

锚索：选用φ17.8 mm×7 300 mm钢绞线，三·三布置，间排距为1 000 mm×1 600 mm。

锚索托盘：采用Q235钢板，规格300 mm×300 mm×12 mm。

锚固剂型号：MSZ23/35，每根锚杆使用2节，每根锚索使用5节。

网片：顶部及非采煤侧帮部采用GB10#铁丝编制的金属网，网片规格：900 mm×2 600 mm，网格：50 mm×50 mm，网目必须用12#双股铁丝逢孔必联；采煤侧帮部采用双抗网，规格为900 mm×50 000 mm(型号JDPP30-30MS)，联网采用编织带逢孔交叉连接并每隔500 mm打一个结。巷道全断面挂网。

1.3 50122工作面两顺槽回采变形情况

50122工作面推采期间，两顺槽收缩变形严重，两帮部整体变形突出，进风巷变形范围为500 mm×1 000 mm，回风巷变形范围为1 200～2 960 mm，巷道底鼓量大，底鼓变化范围1 050 mm×1 700 mm。

两顺槽收敛量大，影响装备、人员安全通过。针对此种情况，公司专门配备一个掘进队进行反复扩帮、起底，严重影响工作面正常安全生产，而且维护返修造成很大人力物力的浪费。

2 巷道支护机理分析

2.1 支护构件分析

锚杆作为一种小范围加固围岩的构件，也是锚网支护体系的主力构件，在支护设计中锚杆必须具有足够强度，也应能平衡围岩一定的变形能。故锚杆的参数应该在具有足够的抗拉能力情况下具有充足的延伸率。

虽然在董东煤矿目前的高矿压情况下锚杆看起来很少有破断，通过锚杆围岩耦合理论分析，不同弹性模量的锚杆对围岩的约束力是不同的。因此，设计合适的锚杆参数对于围岩的支护是很重要的。

锚索的设置，其作用是在极端情况下能够预防顶板冒落。从自稳隐形拱理论分析得出，锚索的作用就是防止极限自稳隐形拱内岩体的失稳。因此，锚索的设计必须采取高强度的原则。

钢带是锚网梁支护系统中的一个重要组成部分，长期以来，人们对钢带的作用都是—扩大承托作用面积、联系多个锚固点形成群锚效应、对巷道表面补强抗拉能力。但现用W钢带在巷道大变形情况下弯曲脱离围岩体(图2、3)，不能够适应围岩力学特征。其强度和刚度都与网片相近，因此不能够真正起到托梁的作用。

图2 顶板钢带变形情况

图3 帮部钢带变形情况

针对上述分析，对锚网结构参数进行优化分析必然能产生积极效果。

2.2 自稳隐形拱理论设计及计算结果

据自稳隐形拱理论，巷道顶板可以分成3个区域：自然冒落拱、自稳隐形拱、极限自稳隐形拱。支护是一定要保证锚索穿过极限自稳隐形拱达到稳定岩层，才能保证巷道稳定。

自稳隐形拱是巷道顶部应力单元中水平方向的拉应力为零的单元的联线所形成的曲面，这一曲面在巷道截面上所示的曲线方程为

(1)

式中：W0—巷道顶部宽度，m；p0—巷道顶部垂直地压，MPa；σ2—顶板岩体的抗拉强度，MPa。

根据工作面数据，带入式(1)计算结果见表1。

表1 计算结果

3 顺槽支护优化

3.1 支护结构

支护优化：支护系统应该以单锚固点为主，钢带托梁作用很小，因此，本设计优化采用以单托盘结构为主的锚杆，向无梁带方向转变。

50130进回风巷：沿5#煤层顶板掘进，矩形断面(4 500 mm×3 300 mm)，支护方式采用锚网索支护。

3.2 顺槽支护参数的确定

锚杆：顶部锚杆采用φ20 mm×2 400 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距为700 mm×800 mm；帮部锚杆采用φ20 mm×3 000 mm右旋螺纹钢锚杆，间排距为600 mm×600 mm，如图4所示。

图4 50130进回风巷支护断面

锚杆托盘：顶部锚杆托盘采用Q235钢托盘，规格为150 mm×150 mm×8 mm。帮部采用W托盘外加钢托盘，W托盘300 mm×280 mm(型号WX280/4)，钢托盘采用Q235钢加工而成，规格150 mm×150 mm×8 mm。

锚索：顶部锚索为三·三布置，锚索直接打在钢带上，锚索采用φ18.9 mm×7 300 mm钢绞线，锚索间排距为1 200 mm×1 600 mm。锚索钢带为T140型钢带，如图5所示。

图5 50130进回风巷顶部支护平面图

锚固剂型号：锚固剂采用MSZ23/60型树脂药卷锚杆，每根锚杆使用2节，每根锚索使用3节。

网片：顶部网片采用GB10#铁丝编制的可伸缩性金属网，网片规格900 mm×2 600 mm，网格50 mm×50 mm，封孔必联。帮部网片采用双抗网，网片规格为900 mm×50 000 mm。

4 工业性试验

对50130回风巷道支护方案进行现场试验，并对巷道表面位移进行了矿压观测，巷道表面位移量监测结果如图6所示。

图6 矿压监测结果

由6可知，对50130巷道支护方案优化后，顶板沉降量为41 mm左右，两帮移近量为260 mm左右，底鼓量为186 mm左右。与原支护方案对比分析，收敛量分别约为原支护方案的10%、16%、20%。由此说明锚杆支护与锚索桁架相结合的方式，对巷道顶板不同层位的位移起到了很好的控制作用。帮部锚杆+大托盘的支护形式，对帮部围岩起到了很好地加固作用，防止了片帮，并且阻止了帮部移近量的进一步增大，而且帮部锚杆的支护减小了极限自稳隐形拱的范围。优化后的支护方案起到了很好的支护效果，为50130回风巷的安全高效回采提供了重要保障。