煤炭巷道锚杆支护方案设计应用

摘要：针对某煤炭巷道锚杆锚索支护存在的诸多问题，设计了“高强锚杆+金属网+钢带+锚索”的支护形式，提出了具体的实施方案。借助FLAC5.0数值模拟软件，分析了改进支护形式下巷道围岩的应力位移分布状态，结果表明，改进支护形式减小了巷道最大应力分布范围，降低巷道侧壁最大位移量。应用结果表明，改进支护形式提高了顶板和两帮锚杆的拉拔力，降低了顶板和两帮的最大移进量，改进效果显著。

关键词：煤炭巷道；锚杆支护；问题；方案设计；效果分析；应用

引言

锚杆支护作为煤炭巷道掘进作业的一种主动支护形式，因其具有支护强度高、工作稳定可靠、成本低廉等优势，现已得到了广泛的应用[1-2]。巷道掘进过程中取出煤炭的同时会破坏周围岩层，若不及时支护处理，将会自行脱落，导致巷道阻塞甚至出现安全事故，必须采用可靠的支护方式才能保证巷道掘进工作的有序进行[3]。厚煤层巷道掘进时巷道周围多为煤炭，支护技术要求较高，传统的锚杆锚索支护难以满足支护要求，极易出现较大的巷道侧壁变形、锚杆支护失效或破坏等问题。因此，针对某煤炭巷道锚杆锚索支护存在的问题，设计新的巷道锚杆支护方案，对于提升巷道工作的稳定性及安全性具有重要意义。

1工作面概况及问题

某工作面现处于煤炭掘进中，其布置结构为一进二回三巷。三条巷道平行分布，主采煤层的最大煤层厚度约为11.8m，最小煤层厚度约为6.4m，平均煤层厚度约为8.5m，煤层中的夹石层的厚度最大约为1m，最小厚度约为0.1m，平均厚度约为0.3m。煤层地质多为半亮型煤，存在少些的半暗型煤，采掘得到的煤炭呈现块状，断口为参差状或者阶梯状，内生裂纹，夹有镜煤条和薄层暗煤。整个工作面内部不存在断裂构造，仅存在岩床侵入，主要发生在切眼的上半部分，最大厚度约为1.4m，入侵层数在2层左右，无规律可循，对煤层厚度和煤的质量影响较大。煤层顶板之上是砂岩含水层，厚度不小于10m，工作面涌水量为0.05~0.2m3/min。当前工作面巷道支护方式为锚杆锚索支护，现场支护效果表现出了若干问题：第一是锚杆强度远远大于锚杆托盘的强度，限制了锚杆优势的发挥。第二是两帮挂网的防护效果不佳，塑料挂网方式与帮壁之间不可避免的存在间隙，帮壁发生位移时不能及时起到护帮效果。第三是护帮附件防护能力不足，主要是材料强度较小，使用过程中经常出现变形或者破坏。第四是锚索托板的强度不足，单薄的托板不能抵抗较大的变形应力，限制锚索力的传递。第五是锚杆锚索预紧力不足，实际支护结构中的预紧力仅有几吨，无法形成顶板主动支护。由此可见，现有巷道锚杆支护不能满足安全支护要求，有必要进行锚杆支护方案的优化设计。

2方案设计

基于工作面基本情况及当前存在的问题，查阅文献资料确定了“高强锚杆+金属网+钢带+锚索”支护形式，具体的巷道锚杆支护方案如下。

2.1顶板锚杆

将原有顶板锚杆更换为Φ20mm×3100mm规格的高强度锚杆，表面无纵筋，制备材料为MG500螺纹锚杆钢，延伸率高达17%。锚杆布置垂直于顶板，每排设置8根锚杆，排间距为800mm，锚杆间距为800mm。锚杆尾部采用滚压加工成型的M22螺母紧固，以保证螺母的连接强度。顶板加强锚固时采用K2360和M2370树脂药卷，钻孔直径尺寸设计为Φ25mm，采用W钢带进行护顶，钢带规格为5000mm×280mm×4mm（长×宽×厚）。更换锚杆托盘，选择规格为150mm×150mm×16mm（长×宽×厚）的高强度托盘进行顶板支护。为了增加锚杆支护的效果，提高锚杆初始预紧力，要求其不小于450N•m。工作面巷道顶板布置Φ6金属网作为护顶，网孔的规格为100mm×100mm。

2.2顶板锚索

顶板锚索作为锚杆支护技术的重要组件，进行了如下改进，锚索的长度设计为8400mm，排间距为1600mm，锚索间距为1600mm，为了提高支护效果，锚索设计为每排3根，布置时尽量使其垂直于顶板。锚索托盘采用承载能力较大的规格，具体尺寸为300mm×3000mm×16mm（长×宽×厚）。锚索组合构件选择W带钢，其规格为4500mm×250mm×4mm（长×宽×厚），配合使用时要求其初始预紧力不能小于200kN。

2.3两帮锚杆

将巷道两帮原有锚杆更换为Φ18mm×2500mm规格的高强度锚杆，表面无纵筋，螺纹左旋，制备材料为MG500，延伸率高达17%。锚杆布置垂直于两帮，每边布置4根锚杆，安装之后的预紧力要求不小于400N•m。巷道两旁加长锚固选择K2335和Z2360树脂药卷，钻孔孔径为Φ25mm，不同树脂药卷的间排距分别为900mm和800mm。护帮选择W钢板，规格为450mm×280mm×5mm（长×宽×厚），拖盘的规格为120mm×120mm×10mm（长×宽×厚），保证具有足够的承载能力。巷道煤柱一侧布置Φ6金属网护顶，网孔规格为100mm×100mm，工作面一侧布置高强度塑料护帮，网孔规格为40mm×40mm。

3应用效果评价

为了验证巷道锚杆支护改进方案的性能，应用于巷道支护现场，结合巷道实际情况对巷道变形和锚杆受力进行了监测并进行了统计。

3.1锚杆锚固力监测结果与分析

随机选择工作面巷道支护中的16根锚杆，其中8根为顶板支护锚杆，8根为两帮支护锚杆，进行拉拔试验，统计结果如图1所示。由图1统计结果可以看出顶板锚杆的拉拔力均高于两帮锚杆的拉拔力，顶板锚杆的拉拔力处于80～85kN，两帮锚杆的拉拔力处于58～65kN，可见煤炭巷道锚杆支护质量很好，锚杆承受的拉拔力较为均匀，满足巷道锚杆支护的要求。巷道锚杆支护方案改进之前，顶板锚杆承受的拉拔力处于55～60kN，两帮锚杆承受的拉拔力处于45～50kN。对比巷道锚杆支护方案改进前后的锚杆拉拔力可以看出，改进之后锚杆支护能力得到了明显提升，顶板锚杆拉拔力增加约25kN，两帮锚杆拉拔力增加约10kN，巷道顶板和两帮锚杆支护更加稳固。

3.2巷道围岩表面位移观测结果与分析

选取掘进巷道内起始点、中间点和采煤点布置变形检测装置，标记为1#、2#、3#，各点均采集其顶板和两帮的移近量。通过结果统计可以看出，随着支护时间的延长，顶板和两帮的移进量呈现增加趋势，直至趋于平稳不变，顶板移进量最大值为70mm，两帮最大移进量为80mm。支护方式改进之前，顶板移进量最大值为130mm，两帮最大移进量为100mm。对比支护形式改进前后的最大移进量可以得出，顶板移进量降低了50mm，两帮最大移进量降低了20mm，取得了很好的改进效果。

4结语

通过分析设计结果表明，相较于支护方式改进之前，改进支护形式使巷道最大应力分布范围减小了700mm，巷道顶板最大位移降低了128mm，两帮最大位移量降低了83mm。应用结果表明，支护形式改进之后的顶板锚杆拉拔力增加约25kN，最大移进量减小50mm，两帮锚杆拉拔力增加约10kN，最大移进量减小20mm，锚杆支护形式改进效果显著。

参考文献

[1]白宇.煤矿巷道锚杆支护技术应用探讨[J].江西煤炭科技,2018,00(01):77-79.

[2]张晶,李金龙.煤矿软岩巷道锚杆支护参数设计研究[J].陕西煤炭,2018,177(04):68-70.

[3]陈明明.煤矿掘进巷道锚杆支护方式的应用与研究[J].建筑工程技术与设计,2018,00(23):4954.

作者：亢建华 单位：山西宁武大运华盛能源集团有限公司