复杂地质条件下大断面煤巷锚网支护技术研究

吕 磊

（晋能控股集团轩煤公司刘家梁矿掘进二队， 山西 忻州 034114）

我国煤炭资源赋存量丰富、地域分散范围较广，各地的地质条件较为复杂，且支护技术也不完善[1]给工作面掘进作业的安全开展带来了较大困难。某煤矿采用了国内较为先进的煤炭掘进设备，其掘进速度很快，回采巷道的掘进数量明显增加，由此导致工作面切眼、顺槽等巷道断面积增大，安全支护问题已困扰企业较长时间[2]。当前使用的是传统金属棚支护方式，安全性低、支护成本高、支护效果较差，严重影响了矿井的高产高效运行[3]。锚杆支护技术作为近年来发展起来的新方法，在较多煤炭矿井生产中已得到了应用，也取得了较好的应用效果，但是锚杆支护在大断面回采巷道中的应用较少，效果如何尚未可知[4-6]。因此，针对某煤矿首采工作面地质情况复杂、断面大的现状，开展复杂地质条件大断面煤巷锚网支护技术研究工作具有重要的意义。

1 巷道现状概述

煤矿首采工作面的运输巷道、切眼、回撤巷道均沿煤层走向布置，顺着煤炭的顶板方向掘进。测量数据显示，煤层底板标高约为500 m，地面的标高约为900 m，煤层深度约为400 m，煤层厚度平均值为6.4 m，坚硬易碎，内生裂隙发育，中下部个别部位存在0.1～0.15 m 粉煤条带，不稳定。目前采用走向长壁大采高一次采全高全部垮落法掘进，内部瓦斯浓度较高，回采工作面长度为225 m，综采高度为5.5 m。首采工作面顺槽布置5 条巷道，巷道截面尺寸中宽度为5.5 m，高度为3.5 m，横断面积高达19.3 m3。以往尚未开展过如此大截面回采巷道的支护工作，因其属于大断面巷道，所以在支护方案设计方面具有很高的难度。

2 锚杆支护参数确定

为了提高锚杆锚网支护技术参数设计效率，减少设计过程的物理资源的投入，选择FLAC 仿真软件和CAD 软件配合开展支护参数的设计工作。FLAC 软件自带9 种基本模型，满足多种岩性和掘进状态条件下岩层运行分析要求，属于较为成熟的层破断后运动过程模拟的软件。

2.1 锚杆间距确定

根据以往掘进巷道支护技术的要求及经验，确定锚杆间距可以设置的尺寸范围为900～1 100 mm，运用FLAC 仿真软件开展锚杆间距对围岩变形的影响程度分析，统计结果如图1 所示。从图1 中可以看出，随着锚杆间距的增加，围岩变形量呈现上升趋势。锚杆间距由900 mm 增大到1 000 mm 的过程中，围岩变形量增加较小，影响程度较低；当锚杆间距由1 000 mm 增大至1 100 mm 时，围岩变形量出现了较大幅度的提升，影响程度较高。综合考虑锚杆支护技术在围岩变形控制中的难易程度和成本等因素，确定锚杆支护参数中的锚杆间距为1 000 mm 为宜。

图1 锚杆间距与围岩变形量关系

2.2 锚杆长度确定

根据以往掘进巷道支护技术要求及经验，确定锚杆长度可以设置的尺寸范围为2 300～2 500 mm，运用FLAC 仿真软件开展锚杆长度对围岩变形的影响程度分析，统计结果如图2 所示。从图2 中可以看出，随着锚杆长度的增加，围岩变形量呈现降低趋势。锚杆长度尺寸由2 300 mm 增大到2 400 mm 时，围岩变形量较大，对其影响程度较为严重；而锚杆长度尺寸由2 400 mm 增大到2 500 mm 的过程中，顶板下沉量仅为0.5 mm，围岩变形极小，影响程度甚微。综合考虑锚杆支护技术在围岩变形中的控制难易程度和成本等因素，确定锚杆支护参数中的锚杆长度选择2 400 mm 为宜。

图2 锚杆长度与围岩变形量关系

2.3 锚索数量确定

根据以往掘进巷道支护技术要求及经验，确定锚索数量可以设置的范围为1～3 根，运用FLAC 仿真软件开展锚索数量对围岩变形的影响程度分析，统计结果如图3 所示。从图3 中可以看出，随着锚索数量的增加，围岩变形量呈现降低趋势。1 根锚索支护时围岩变形量最大，2 根锚索支护和3 根锚索支护时的围岩变形量有所降低，但降低不明显，可见二者的支护效果基本相同。综合考虑锚杆支护技术在围岩变形中的控制难易程度和成本等因素，确定锚杆支护参数中锚索数量选择2 根为宜。

图3 锚索数量与围岩变形量关系

3 巷道支护参数及锚杆布置方式

根据仿真计算结果，结合首采工作面巷道实际结构参数，确定了巷道支护参数及锚杆布置方式，具体如图4、图5 所示。

图4 回采巷道支护参数（mm）

图5 锚杆布置方式（mm）

3.1 顶板支护

首采工作面在对顶板进行支护时，锚杆选择直径为Φ20 mm 的左旋无纵筋螺纹钢筋，长度为2 400 mm，锚杆尾部为M22 的螺纹。使用树脂锚固剂，每根锚杆使用2 支，型号分别为K2335 和Z2360。锚固时钻孔孔径为Φ28 mm，锚固长度为1 300 mm。钢筋托梁采用Φ16 mm 的钢筋焊接，宽度为100 mm，长度为5 100 mm，使用拱型高强度托盘。锚固时，靠近巷帮位置的锚杆要求与垂线成30°，使用菱形金属网护顶，规格为5 600 mm×1 100 mm。锚杆布置时的间排距为1 000 mm×1 000 mm，每排6 根锚杆；锚索采用Φ15.24 mm 的单根钢绞线，长度为7 300 mm，使用3支锚固剂，型号为1 支K2335 和2 支Z2360，锚索排距设置为3 000 mm，每排布置2 根。

3.2 巷帮支护

工作面侧帮支护时，锚杆选择直径尺寸为Φ18 mm的玻璃钢，长度为2 000 mm，尾部螺纹规格为M20。锚固使用1 支树脂锚固剂，型号为Z2335。在对靠近顶板的巷帮锚杆进行安装时，要求其与水平成10°角，护帮采用菱形金属网，规格为2700mm×1100mm。锚杆布置时的间排距为1 000 mm×1 000 mm，每排锚杆布置3 根。煤柱侧煤帮锚杆选择直径为Φ18 mm的圆钢，长度尺寸为2 000 mm，尾部螺纹规格为M20，其他参数与工作面侧帮一致。

4 应用效果

为了验证复杂地质条件大断面煤巷锚网支护技术方案的可行性及支护效果，将其应用于该煤矿巷道支护中，跟踪监测巷道顶板里层情况并记录。监测统计结果如下页图5 所示。从图5 中可以看出，监测长度在7 000 mm 范围内的顶板离层数值仅有4～10 mm，顶板的离层程度较小，相较于原巷道支护方式，离层量降低了约6%，起到了很好的支护效果，发挥了岩层的自承载能力。巷道掘进15 d之后，顶板离层趋势基本稳定，在后续工作面回采过程中，顶板离层数值变化较小，巷道维护状况良好。

图5 巷道掘进期间顶板离层情况

5 结论

巷道支护作为煤炭综采工作面正常工作的重要保障，其工作的可靠性直接关系着煤矿工人的安全和企业的经济效益，必须引起高度重视。相较于原巷道支护方式，对复杂地质条件大断面煤巷锚网支护技术开展研究后，顶板离层量降低了约6%，离层数值仅为4～10 mm，起到了很好的支护效果。巷道掘进15 d之后，顶板离层趋势基本稳定，在后续工作面回采过程中，顶板离层数值变化较小，巷道维护状况良好。