锚网技术在顶部软岩支护中的研究及应用

摘 要：从事煤矿井巷工程掘进，加强锚网支护效率，减轻劳动强度，提高井巷单进进度及施工质量，经过对市区内矿区山西某矿新井筹建处的锚杆支护方案进行调研、设计研究及应用，加强煤巷顶板软岩对综掘施工工艺的改进与实践，并用现场试验，分析加强锚网支护中的安全可靠性，为同类地质条件下综掘工艺支护提供一定研究范例。

关键词：锚杆支护技术;数值模拟;可操作性;监测

煤巷的锚杆支护设计方法已从过去简单的试验方法和理论计算方法发展到基于数值计算和现场监测的动态信息设计方法。但是，我国许多矿区目前仍采用的经验法，且设计也是非动态的，不注重监测数据的收集分析及有效的反馈。在一些矿山，无论巷道的地质条件和生产条件如何，支护形式和参数都是一样的，或是一味的全锚索加强支护，导致巷道掘进慢，掘进效率低，甚至出现冒顶事故的发生。本文就垚志达新井筹建处为工程实例，阐述机掘工艺中，采用锚网支护技术对顶部软岩巷道采用锚网进行设计的可靠性。

1 矿区工程概况

该矿新井筹建处位于沁水煤田东南段，地处长治盆地东南边缘山区，矿井为隐覆井田，设计生产能力可以达到120万t/a，低瓦斯矿井，主采3#、9#、15#煤层，为全区可采的稳定煤层。现采3#煤层埋深350m左右，煤层平均厚度为3.83m，一般含0-2层脉石，煤层直接顶板为砂质泥岩，0-15.86m，其平均厚度为9.68m，变化范围较大，局部存在复合型顶板，较为破碎，在下部局部有炭质泥岩薄层，老顶为中粒砂岩，为稳定性岩层;底板为炭质泥岩，平均厚度为2.0m，砂质泥岩、砂岩平均厚度为5.83m。

2 锚杆支护方案

该矿的3号煤层运输顺槽断面为矩形巷道，规格为4.5m（宽）×3.0m（高），全煤巷道，沿煤层顶板掘进。根据现有支护条件和相邻主巷地压观测资料，以及回风巷的地质力学数据采集，采用锚杆支护数值模拟技术和全过程动态监测分析方法，进行了锚杆支护的跟踪设计。希望能深入分析传统设计方法存在的问题，达到一次支护、高预应力和预应力扩散、可操作性、经济合理性等原则，将工程地质、支护理论、施工融入总体设计是当前最有效、最科学、最合适的设计法。

2.1 设计过程

支护设计前，需进行巷道所处的围岩地质力学评估：岩性和结构、地层应力、采动影响、黏结强度进行测试、实验、分类，提供设计所需的所有信息。基于此，初步设计时采用支护理论和设计方法，明确好支护参数;施工过程中，利用监测仪器对锚杆进行应力测试和变形监测，监测围岩位移分布;根据监测结果，验证了初步设计的质量，修改锚杆支护初始设计，确保设计与工程实况是相符合的，保证了支护效果的同时，又实现了安全施工。

2.2 支护参数确定

明确有限元数值计算，模拟煤壁破坏范围。采用库仑--摩尔准则确定了煤壁破坏区的范围：

式中：σ1为最大主应力;σ3为最小主应力;c为内摩擦角;?为岩石单轴抗压强度;σc为粘结力。

库仑--摩尔准则安全系数定义为：

根据库仑--摩尔准则运用有限元数值模拟，取SFmin=1.0，模拟巷道围岩有支护时应力如下，见图1-图3：

通过以上分析确定模拟方案得出如下，确保加强支护，确定锚杆锚固力为105kN，拧紧力矩为200N·m，初步支护参数：顶部锚杆6个，排距=0.8m，长度=2.0m，设计锚固力=10.5t;顶部4个锚杆，锚杆长度=2.0m，排距=0.8m，

設计锚固力10.5t;锚索打设间排距为2.0m×2.4m。锚杆分布方案，见图4。

3 支护可靠性验证

在巷道施工的同时，需对锚网支护的效果进行检查，包括日常监测和综合监测，这是现锚网支护有效监测手段之一。

日常监测包括锚杆锚固力抽查、顶板离层观测和锚杆预紧力矩检测三部分，是确保巷道施工后，消除隐蔽危险源，对保证生命安全起着至关重要的作用。

当巷道开挖之后一段时间，在相应时间间隔、，巷道顶板下沉量、侧移量达最大值，随时间增加慢慢稳定。综合监测是锚网施工后确保巷道安全性、可靠性的重要手段。①巷道面位移：巷道顶底板相对位移，两（下转第140页）（上接第137页）侧，顶板下沉;②顶板离层：锚固区内外顶板岩体位移;③锚杆应力：顶板和两侧锚杆的应力大小及变化的特点分析。

通过一个月时间的收集顶板及两帮的巷道围岩岩层位移变化，以及锚杆安装测力计分析巷道锚杆工作载荷变化，见图5。从图中可看出，综掘巷道顶板下沉量和帮部位移量达到最大值，并随着时间的增长趋于稳定。可知：支护锚固后软岩巷道应力在分布方面，有较大的变化，巷道两帮收收敛均不超过15mm，顶板下沉量不超过20mm，锚固对于巷道变形有一定的抑制作用。巷道顶板下沉的同时，锚杆承受张力，测量锚杆载荷变化，防止因锚杆屈服变形，甚至被拉断，产生生命财产损失。初设锚杆屈服载荷为105kN，跟踪测量三点位置顶部、左帮和右帮的锚杆稳定后的载荷为48kN、53.4kN、50.3kN，均未达锚杆载荷60%，故锚杆载荷受力符合要求。由此可知，通过现场试验和长期观测，达到了预期效果。支护方案确定合理，支护参数合理，是安全可靠的。

4 结论

模拟分析软岩巷道运输顺槽数值，数据验证实际巷道表面位移量，锚杆支护设计方法和数值模拟确定的锚杆支护方案和参数是正确的，在软岩巷道支护方面是合理的，所确定的支护参数在工程中具有实践性、可操作性，在同类巷道支护时可参考该类分析。

参考文献：

[1]康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[2]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[3]杨德传.煤巷锚杆支护应用现状研究理论及当前研究重点[J].煤矿开采，2005，10（6）：16-34.

作者简介：

马站辉（1987- ），男，山西长治人，本科学历，助理工程师，从事煤炭生产技术工作。