厚层坚硬直接顶巷道大排距锚杆支护方案设计

李胜伟

（冀中能源邢台矿业集团有限责任公司金谷煤业，山西 临汾 042499）

1 工程概况

金谷煤矿9#、10#煤层间距极小，中间仅有一层夹矸，矸厚0.8～1.35m，两层煤总厚度在3.0～3.9m之间，平均3.45m，故采用联合开采，为目前主采煤层。煤层赋存比较稳定，倾角仅4°左右，瓦斯含量低。根据前期岩石力学性能测试结果，煤层的普氏系数达到2～3，中部0.95m左右夹矸的普氏系数亦在2以上，属于中硬煤。

煤层直接顶为浅灰～深灰生物碎屑灰岩，厚度7.2～10.25m，平均8.72m，层位、厚度稳定，岩石单轴抗压强度40～65MPa之间，普氏系数4.0～6.5，属于中硬岩或硬岩，抗压、抗剪强度较高；直接底为深灰色、灰黑色泥岩、砂岩互层，厚度3.1～4.45m，性脆、易碎，局部发育10#下煤、10#下下煤，厚约0.5m。

10900回风顺槽为9+10#煤层服务，总长度为1028m，巷道断面宽×高=4.2m×3.2m。距地表深度为50～165m。以10900回风顺槽为研究对象，结合相邻10901工作面采取的支护方案，通过数值模拟和理论分析，对锚杆（索）的长度、直径、配件材料等支护参数进行优化，实施大排距锚杆支护技术，减少支护材料用量，提高巷道掘进速度。

2 现有支护方式评价

根据对相邻10901工作面的调研情况，现有支护形式及参数能够较好控制巷道围岩变形，但从支护效能与掘进速度两方面考虑，仍存在以下问题：

（1）支护效能低。金谷煤矿9+10#煤层平均埋深仅为100m左右，巷道属于典型浅埋厚层坚硬顶板半煤岩巷道，巷道地压约为2.5MPa。目前采取的支护方案中，锚杆支护强度在0.15～0.2MPa以上，锚索破断力在30t以上，整体支护强度存在明显富余，支护系统效能浪费较大。

（2）预紧力不足。10901工作面顺槽顶板及实体煤帮部均存在网兜现象，巷道围岩的扩容现象未得到有效控制，表明锚杆、锚索的预紧力不足。现场进行的扭矩试验也发现，锚杆扭矩未转换成相应的预紧力。

（3）护表材料刚度低。现场施工采用钢塑网对顶板及两帮进行护表，刚度较低，不能将锚杆、锚索的预紧力有效地扩散到巷道表面，进一步造成了锚杆、锚索的支护效能浪费。

3 数值模拟

3.1 模型建立

针对10900回风顺槽围岩赋存情况，采用FLAC3D建立数值分析模型。模型尺寸为宽×高=34.5m×37.5m，在中间开挖回风顺槽，不进行支护，断面设计为矩形，尺寸为宽×高=4.2m×3.2m。根据巷道埋深，在模型上边界施加自重2.5MPa，前后左右施加水平应力，并以25kPa/m的梯度递减。岩石力学参数如表1所示。

表1 煤岩体力学参数

3.2 模拟结果分析

3.2.1 围岩位移

巷道开挖后，围岩垂直位移和水平位移如图1所示。

图1 围岩位移分布图

由图1（a）可知，巷道顶板下沉量相比底鼓量要小得多，因为煤层顶板为厚层坚硬灰岩，刚度比较大，不易产生下沉变形，而底板相对较软，容易产生底鼓。因此，在巷道支护时，要加强底鼓的控制。由图1（b）可知，巷道帮部变形较大，顶底板几乎未发生水平位移。因此，巷道开挖后要及时对帮部进行支护。

3.2.2 围岩塑性区

巷道开挖后，围岩塑性区分布如图2所示。

图2 围岩塑性区分布图

巷道开挖后必然会在周围产生塑性圈，其通常呈近圆形分布。但根据图2结果，此类地质条件下的巷道帮部塑性区范围比顶底板大得多，并且顶板塑性区发育最少。这是因为厚层坚硬直接顶未发生明显破坏，有效控制了上覆岩层的变形。但由于厚层坚硬顶板形变未能得到释放，使得巷道两帮承受更大的压力，变形严重。因此，需要加强巷道帮部的支护强度，提高巷道整体稳定性。

4 支护方案设计

根据10900回风顺槽断面形状、赋存条件及上述分析结果，对回风顺槽的支护方案进行优化设计，形成“高强度、高刚度、低密度”的大排距巷道锚网支护方案，如图3所示。

图3 巷道支护形式示意图

（1）顶板施工4根Φ18×1800mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距1200×1000mm；每帮施工3根Φ18×1800mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距1100×1000mm。锚杆每孔装一根CK2335树脂锚固剂和一根Z2350树脂锚固剂。

（2）开口前5m范围采用2根Φ17.8×6300mm锚索加固，间排距2000×2400mm。锚索每孔装一根CK2335树脂锚固剂和两根Z2350树脂锚固剂。

（3）采用4.2m和2.8m H型钢筋梁，网片选用Φ4mm焊网。

（4）锚杆安设角度：顶锚杆中间垂直于顶板，两肩锚杆与铅垂线呈15～20°夹角，帮锚杆中间垂直于巷帮，两侧锚杆与水平线呈15～20°夹角。

（5）锚杆预紧力40～60kN，锚索初始张拉力不小于80～120kN。

5 结语

9+10#煤层埋深浅，矿压显现不剧烈，现有的支护方案支护密度大、强度过高，但支护构件的性能未得到充分发挥，支护效能低。根据10900回风顺槽的工程地质条件，在数值模拟的基础上，优化了锚杆数量、直径及护表构件，制定了“高强度、高刚度、低密度”的大排距巷道锚网支护方案。从后期实践效果来看，该方案有效控制了巷道在掘进和回采全过程中的变形，降低了支护成本，并大大提高了巷道掘进速度，值得借鉴推广。