“走向梁”支护技术研究与工程实践分析

成 飞 赵 群 李亚斌

（黄陵矿业有限公司一号煤矿，陕西 延安 727307）

黄陵一号煤矿现采用的“纵向梁”支护形式，巷道顶板锚索梁容易产生大变形，部分锚索梁时常被压弯，甚至压断，给后期回采造成极大不便和留下安全隐患，故提出以“走向梁”为主的支护优化方案并进行论证和试验。创新推行了支护优化“4+5”工作法（“支得快、支得住、支得牢、支得省”四项原则和“摸清地质、掌握规律、靶点设计、精准施工、效果评价”五步法则），利用顶板窥视仪摸清井下各区域围岩特性，收集了巷道围岩特性，对现有支护结构、支护材料、支护效率、支护成本进行靶点分析，有助于提高支护效率，节约支护成本，而且有助于提升支护质量。

1 回撤通道支护优化技术

1.1 优化前回撤通道支护技术

对回撤通道机头及机尾段各20 m 范围内的顶板进行强化支护，扩帮后顶板采用“锚索梁+菱形铁丝网”联合支护。距支架前梁400 mm 施工一排单锚索，间距1.6 m，每根消耗L=700 mm 树脂3节，采用规格为Ф17.8 mm×8300 mm 钢绞线，配套L=400 mm 槽钢托板；距回撤通道煤壁400 mm施工一排锚索，间距1.6m ，每根锚杆消耗L=350 mm 树脂2 节；T 型钢带长1.6 m，一梁两索，排距1.6 m，两根锚索梁并在一起支护，另在单锚索之间支护一根T 型钢带，均采用Ф17.8 mm×8300 mm钢绞线，锚深8 m，每孔消耗L=700 mm 树脂3 节；顶部挂单层菱形网，网长10 m，宽1.2 m，长边搭接长度200 mm，短边搭接500 mm，搭接处用双股14#铁丝扭结，扭结不少于3 圈，每米扭结点不少于3 处，上下网长边通连，短边连双排；回撤通道中部195 m 范围扩帮后，顶板采用“锚索+T 型钢带+单层菱形网”联合支护。距支架前梁400 mm施工一排单锚索，间距2.4 m，每根消耗L=700 mm树脂3 节，采用Ф17.8 mm×8300 mm 钢绞线，配套L=400 mm 槽钢托板；距回撤通道煤壁400 mm施工一排锚索，间距2.4 m，每根锚杆消耗L=350 mm 树脂2 节；T 型钢带长1.6 m，一梁两索，排距2.4 m，两根钢带并在一起支护，另在单锚索之间支护一根T 型钢带，均采用Ф17.8 mm×8300 mm 钢绞线，锚深8 m，每孔消耗L=700 mm 树脂3 节；顶部挂单层菱形网，网长10 m，宽1.2 m，长边搭接200 mm，短边搭接500 mm，搭接处用双股14#铁丝扭结。扭结不少于3 圈，每米扭结点不少于3 处，上下网长边通连，短边连双排。

1.2 优化后回撤通道支护技术

优化后回撤通道采用“锚索梁+菱形铁丝网”联合支护。锚索梁采用T140 型钢带加工，梁长度为4.2 m，一梁三索，每刀煤割完后支护一排锚索，第一排锚索距支架前梁400 mm，第一排、第二排、第三排之间间距1000 mm，第三排与第四排锚索之间间距1100 mm，每排锚索梁之间间距1000 mm，锚索排与排成菱形布置；锚索均采用Ф17.8 mm×8300 mm钢绞线，锚深8 m，每孔消耗L=700 mm 树脂3 节；顶部挂单层菱形网，网长10 m，宽1.2 m，长边搭接200 mm，短边搭接500 mm，搭接处用双股14#铁丝扭结。优化前后的回撤通道支护平面图，如图1、图2。

图1 优化前回撤通道支护平面图

图2 优化后回撤通道支护平面图

1.3 支护优化强度校核

（1）锚索长度校核

锚索总长度为满足：

上式中：L 表示锚索总长度，m；La为锚索锚固长度（La≥Kd1fa/4fc），m；Lb为需悬吊的不稳定岩层厚度，参照钻孔数据可取5.2 m；Lc为托板与锚具的总厚度，可取0.1 m；Ld为外露张拉长度，可取0.3 m。K 为安全系数，一般可取2；d1为锚索直径，可取17.8 mm；fa为锚索抗拉强度，通过查表可知为1860 N/mm2；fc为锚索与锚固剂的具体粘合强度，一般可取10 N/mm2。

经计算得出：La≥1.65 m，L ≥7.25 m。因此，锚索设计长度8.3 m，可满足要求。

（2）回撤通道力学模型校核

可用锚索来支护回撤通道，在支架不断撤出的情况下通道顶板悬跨度会越来越大（支架顶梁约长4.4 m），这时可把回撤通道覆岩结构近似视为单边固定的悬臂梁。

式中：r 为围岩重度，按4 级围岩取值2.5 kN/m3；b 为围岩松动圈高度，m；σb为锚索抗拉强度，根据拉力实验数据取1860 MPa；d 为锚索直径，取17.8 mm；a1、a2为锚索间排距，分别取1 m、1.8 m。

式中：B、H 为巷道宽度、高度，分别为8.4 m、2.8 m；f 顶为顶板岩石普氏系数，3～5，取最小值3；ω 为两帮围岩的似内摩擦角，ω=arctanf顶。

经计算，q=3.875 kN，q1=257 kN。

因最大转角与最大挠度通常都处于梁端B 处，所以对梁的挠度与转角可按下式计算：

式中：l 为悬臂梁长度，取8.4 m；v 为挠度，m；θ 为扭转角，（°）；E 为弹性模量，常数；I 为材料横截面对弯曲中性轴的惯性矩，m.kg·s2。

经计算，vB=4697/EI θB=2156/EI

采用锚索支护能够满足回撤通道支架回撤后顶板的稳定性，满足施工期间的安全性。回撤通道悬臂梁力学结构模型如图3。

图3 回撤通道悬臂梁力学结构模型

2 回采巷道支护优化技术（以回风顺槽为例）

2.1 优化前回采巷道支护优化技术

采用锚杆+锚索梁+塑钢网联合支护，顶锚杆中间四排间距850 mm，靠两侧两排间距900 mm，排距为1000/600 mm 交替支护，“六—六”矩形布置；锚索梁采用T140型钢带加工，梁长4.8 m，一梁四索，间距1600 mm，锚索均采用Ф17.8 mm×8300 mm钢绞线，每根消耗MSK2370 树脂3 节；顶部挂塑钢网，网孔50 mm×55 mm。

2.2 优化后回采巷道支护优化技术

采用锚杆+锚索梁+塑钢网联合支护，顶锚杆中间四排间距850 mm，靠两侧两排间距900 mm，排距为1000/600 mm 交替支护，“六—六”矩形布置；锚索梁采用T140型钢带加工，梁长3.6 m，一梁三索，锚索梁采用“走向梁”成组错茬布置的方式进行支护，沿顺槽延伸方向共布置四列锚索梁，中间两列间距1400 mm，靠两帮侧两列间距1600 mm，每组“走向梁”之间间距1200 mm；每根消耗MSK2370 树脂3 节；顶部挂塑钢网，网孔50 mm×55 mm。

2.3 支护优化强度校核

（1）锚杆长度校核。可依据悬吊作用来进一步计算锚杆的长度，应满足：

式中：L 代表锚杆总长度，m；L1代表锚杆外露长度，一般L1可取0.05 m；L2代表有效长度（顶部取免压拱高b），m；L3代表锚入岩（煤）层内的深度，一般L3可取0.6 m。其中：

式中：B、H 代表巷道宽度、高度，分别为5.2 m、2.8 m ；f顶代表顶板岩石普氏系数，一般在2～3.2 之间，通常可取最小值2；ω 代表两帮围岩的似内摩擦角，ω=arctanf顶。

计算得出：b=1.63 m，顶锚杆长度L ≥2.28 m。而顶部锚杆的设计支护长度2.5 m，由此可见满足要求。

（2）锚杆间排距校核。可依据锚杆所能悬吊的重量进行校核，应满足：

式中：a 代表锚杆间、排距，m；G 代表锚杆的承载力，可取150 kN/根；k 代表安全系数，一般取2；L2代表有效长度（顶锚杆取免压拱高b，帮锚杆取帮破碎深度c），m；γ 代表岩体容重，一般可取26 kN/m3。

经计算得出：顶锚杆a＜1.32 m，帮锚杆a＜2.1 m。由此可见，顶锚杆、帮锚杆设计间排距都可以满足要求。

优化前、后的顺槽支护平面图如图4、图5。

图4 优化前顺槽支护平面图

图5 优化后顺槽支护平面图

3 支护优化效果分析

3.1 回撤通道支护优化效果

通过对回撤通道支护进行优化，在回撤通道开展了“走向梁”支护优化试验，优化后回撤通道不再采用锚杆支护，且在割煤过程中每刀煤均可完成锚索梁支护，提高回撤通道支护效率；减少锚（杆）索施工数量，降低了职工劳动强度，节约了支护费用3.6 万元。

3.2 回采巷道支护优化效果

回采巷道优化后直接采用“走向梁”代替 “横向梁”支护，该支护结构能够适应矿压显现，减少受压后的钢带变形量；减少了支护工程量，提高了单进水平，延米减少228 元，降低了生产成本，能够与快速掘进系统和采面超前支架支护相适应，为“110 工法”开采巷道支护进行了有效探索。

4 结 语

通过对回撤通道及回采巷道的支护优化，一方面根据理论验算，得出了采煤回撤通道和回采巷道“走向梁”支护间距，锚杆、锚索支护强度，为“走向梁”支护研究提供了技术参数依据；另一方面应 用新的支护优化技术理念，采用高水平管理方式，成功应用矿井支护技术，不仅很好地解决了顶板支护实际问题，而且更好地保障了矿井安全生产。