深部采区煤上山巷道锚网支护设计研究

孙乐乐，卫豪杰，李 川

（1.淮河能源矿业(集团)有限责任公司煤业公司，安徽 淮南；2.安徽理工大学矿业工程学院，安徽 淮南)

1 工程概况

1.1 煤层情况

张集矿区位于谢桥向斜北翼，主要可采煤层有：1、6、8、11-2、13-1 煤层，次要可采煤层9 层。研究区域11-2 煤层，厚度为2.7 m～3.3 m，平均3 m，黑色，以块状、碎块状为主，局部呈粉末状，内生裂隙发育，中部赋存一层夹矸，以泥岩为主，厚0.3 m 左右，总体倾角3～8°，平均5°。

1.2 水文地质情况

11-2 煤层顶板砂岩裂隙水具有不均匀性，多以淋滴水为主，个别出水点最大出水量为20 m3/h。

1.3 巷道围岩赋存条件

巷道直接顶、底为砂质泥岩，灰～浅灰色，砂泥质结构，砂质含量不均。抗压强度26.08 Mpa，抗拉强度0.67 Mpa。根据地质资料，C 组煤采区11-2 煤顶板为Ⅲ类中等稳定岩层；底板为Ⅲ类中等稳定岩层。东三11-2 煤层采区回风上山适合锚索网支护。

2 支护参数理论设计

2.1 支护断面

根据淮南矿区支护经验和煤岩层倾角，回采巷道设计断面为近矩形[1-3]：净宽×净高=5.4 m×3.7 m。

2.2 顶板锚杆支护参数

2.2.1 顶板破碎带高度D

具体参数取值见表1，计算破碎带高度为0.8 m。

2.2.2 锚杆长度

具体参数见表1，将数值代入式（3）得锚杆长度为1.4m。参考现有支护状况和矿压观测情况[4]，设计顶板，帮部锚杆长度选择大于1.4 m 即可，选用锚杆长度2.5 m，直径Φ20 mm，符合要求。

2.2.3 锚杆锚固力与锚固长度

2.2.3.1 锚杆锚固力

根据杆体承载力与锚固力等强度原则：

具体参数取值见表1，由式（4）计算结果可知：顶板，帮部单根锚杆锚固力至少为105.19 KN。

2.2.3.2 锚杆锚固长度

根据《淮南矿区锚杆支护技术管理规范》，锚杆采用Ф20 mm、L=2 500 mm。

公式（5）中参数的选取依据P =Ldπ p及作用力与反作用力。具体参数取值见表1，顶板，帮部实际锚固长度为700 mm＞163.3 mm，满足需求。

2.2.4 支护密度及间排距

具体参数取值见表1，由式（6）得PS=0.33 根/m2,取顶板锚杆间距0.75 m，则排距为：

参考巷道现有支护状况，设计顶板，帮部锚杆间排距为750 mm×900 mm，满足要求。

2.2.5 锚杆托盘

选用M 形金属托盘[5]，托盘强度要不低于165 KN。托盘用屈服强度大于235 Mpa 的钢材加工，厚度不小于8 mm，其中心孔直径24 mm。

故顶板，帮部锚杆支护参数如下：锚杆选材为：Φ20 mm、L=2 500 mm 左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，锚杆间排距为750 mm×900 mm，锚固力不得小于100 KN。

2.3 锚索支护参数

2.3.1 冒落拱高度计算

计算冒落拱高度0.79 m。

2.3.2 锚索长度

计算得锚索的长度2.29 m。选用6.3 m 满足要求。

2.3.3 锚索间排距的确定根据悬吊理论计算

由式（9）得Ps=0.48 根/m2，取顶板锚索间距1 m。则排距为=2.08m。锚索间排距取1 100 mm×900 mm，满足理论计算要求。

2.3.4 锚索布置方式

11-2 煤采区工作面回风上山采用锚梁网（索）进行支护[6]，断面为矩形断面，尺寸为5 400 mm×3 700 mm。顶板，帮部锚杆均采用Ф20 mm×2 500 mm，间排距为750 mm×900 mm；锚索规格为Ф=22 mm×6 300 mm，间排距为1 100 mm×900 mm，3-3-0 布置。

3 支护方案优化

3.1 帮部支护方案优化

如表2 所示为具体的帮部支护方案优化。

表2 帮部支护方案优化

如图1 所示，选择方案一时，巷道围岩塑性破坏范围较大，两帮为1.85 m，顶板为1.14 m，底板为1.12 m；在方案二与方案三支护情况下，巷道围岩塑性破坏范围较小，两帮分别为1.45 m、1.36 m，顶板分别为1.08 m、1.02 m，底板分别为1.11 m、1.03 m，两者相差不大。综合考虑安全因素与经济效益，选定方案二作为巷道帮部支护方案。

图1 巷帮锚杆支护方案与巷道围岩变形量关系

3.2 顶板支护方案优化

如图2 所示，选择方案一时，巷道围岩塑性破坏范围较大，两帮为1.48 m，顶板为1.08 m，底板为1.12 m；在方案二与方案三支护情况下，巷道围岩塑性破坏范围较小，两帮分别为1.43 m、1.38 m，顶板分别为0.82 m、0.74 m，底板分别为1.02 m、0.98 m，两者相差不大。综合考虑安全因素与经济效益，选定方案二作为巷道顶板支护方案。

图2 顶板支护方案与巷道围岩塑性区破坏范围关系

如表3 所示为具体的顶板支护方案优化。

表3 顶板支护方案优化

3.3 锚索支护方案优化

如表4 所示为具体的锚索支护方案优化。

表4 锚索支护方案优化

如图3 所示，选择方案一时，巷道围岩塑性破坏范围较大，两帮为1.48 m，顶板为0.8 m，底板为1.12 m；在方案二与方案三支护情况下，巷道围岩塑性破坏范围较小，两帮分别为1.14 m、1.11 m，顶板分别为0.6 m、0.53 m，底板分别为1.02 m、0.88 m；综合考虑选定方案二为巷道帮部支护方案。

图3 锚索支护方案与巷道围岩塑性区破坏范围关系

4 11-2 煤层回风上山锚杆索支护方案

4.1 顶板支护

顶板支护结构第一部分由锚杆和M5 钢带组成。每根M5 钢带上安装7 根锚杆，顶板锚杆规格：Φ20×2 500 mm，顶板钢带长度为4 800 mm。

第二部分由14#槽钢和锚索组成。顶板锚索采用“3-3-0”布置，均使用2 600 mm 长14#槽钢，锚索规格为：Φ22×6 300 mm。

第三部分是金属网，采用10#金属网。网应封闭顶帮岩煤体，相邻网搭接长度不得低于100 mm，连网扎扣间距不超过200 mm。

4.2 帮部支护

帮部支护结构第一部分由锚杆和M5 钢带组成。帮部钢带采用竖直布置，长度为2 500 mm，其上布置5 根锚杆；巷帮锚杆规格：Φ20×2 500 mm。

第二部分是10#金属网。帮部网至底角，网应封闭顶帮岩媒体，相邻网搭接长度不得低于100 mm，连网扎扣间距不超过200 mm。

5 实际应用效果

经现场实测，在运用该改进方案后，11-2 煤采区回风上山的支护效果与改良前效果相当，顶底板的围岩支护条件得到了改善，巷道顶底板及两帮移近量与锚杆（索）载荷逐渐上升并最终稳定。巷道围岩变形在可控范围内，初始支护设计方案能够满足安全支护需要，考虑本巷道用途及使用年限比较短，支护设计支护参数还可进行适当调整。

6 结论

（1）根据相关地质资料，C 组煤采区11-2 煤顶板为Ⅲ类中等稳定岩层；底板为Ⅲ类中等稳定岩层。东三11-2 煤层采区回风上山适合采用锚索网支护。

（2）基于计算的支护参数提出具体支护方案为：顶板采用M5 钢带上安装7 根锚杆加"3-3-0"布置锚索和10#金属网联合支护，帮部支护采用M5 钢带上布置5 根锚杆和10#金属网联合支护。

（3）经实测，优化后的支护方案满足巷道使用要求，适当减少锚杆用量的同时能达到支护要求,能大幅减短支护耗时,提升掘进速度，提高矿山的效益。