隆安煤矿11305 回风顺槽锚网索支护优化设计

牟 超

（晋能集团有限公司人力资源部，山西太原 030000）

0 引 言

在煤矿井下巷道开掘过程中，巷道支护方式和支护参数选择是否科学合理对巷道的支护安全和快速掘进起着至关重要的作用。如果设计选择不合理，若支护强度过高，会造成巷道掘进成本增加，而且会降低巷道掘进速度，影响矿井正常采掘接续。反之，若支护强度过低，将会造成巷道围岩出现严重破坏变形，严重时可能造成巷道大面积冒落，引发顶板事故[1-2]。本文针对隆安煤矿原掘进工作面锚杆（索）支护方式中存在的问题，通过模拟试验和对比分析后，对原支护设计进行新的优化设计，取得较好的支护效果。

1 工作面概况

泰山隆安煤矿11305 回风顺槽位于该矿11 采区，北部为11 采区3 条大巷，南部为已回采工作面采空区，东部为未开拓区域，西部为本工作面实体煤区域。工作面地面标高1 014～1 108m，井下标高-90～-170m。11305 回风顺槽设计走向长1 118m，断面为矩形，巷道净高2.6m，净宽4.5m，沿11 号下组煤层顶板掘进，煤层厚1.61m。巷道煤层顶底板情况见图1。

图1 11305 回风顺槽煤层顶底板柱状图

2 矿井原巷道支护方式及存在的问题

2.1 原巷道支护方式

原11301 回风顺槽地质条件与11305 回风顺槽极为相似，以此巷道支护情况对比分析。原巷道顶部采用φ20 mm×2 200 mm 圆钢锚杆进行支护，间排距为900 mm×1 000 mm，中间4 根锚杆与顶板呈90°夹角，两边角锚杆与巷道顶板垂直方向夹角为75°，每孔装一节CK2360 型树脂锚固剂。托盘采用尺寸为150 mm（长）×150 mm（宽）×8 mm（厚）的方形高强度钢板制成，锚杆的扭矩值不低于100 N·m。

锚索采用φ15.24 mm×7 000 mm 钢绞线，呈“3-3”布置，间排距为1 600 mm×2 000 mm。每个锚索孔采用1 节CK2360 型树脂锚固剂和2 节K2360型树脂锚固剂锚固，托盘规格为300mm×300mm×14mm，锚索预紧力不低于100 kN（支护方式见图2）。

图2 原11301 回风顺槽巷道锚网支护示意图

非回采巷道帮部采用1 根φ16 mm×1 200 mm圆钢锚杆支护，预紧力矩不小于80 N·m；回采侧巷道帮部采用1 根φ20mm×2 200 mm 玻璃钢锚杆支护。

2.2 支护存在问题

2.2.1 支护材料方面

1）顶板锚杆。顶板支护采用的φ20 mm×2 200 mm 圆钢锚杆，承载能力为119.4 kN，φ18 mm 的螺纹钢锚杆承载能力124.7 kN，两者承载能力基本相同，但φ18 mm 的螺纹钢锚杆施工起来更方便。螺纹钢锚杆较圆钢锚杆搅拌锚固剂更充分，锚固效果更好，能够较好的实施加长锚固，对围岩的控制效果更好。

2）锚杆托盘。采用高强度钢板制成的长×宽×厚=150 mm×150 mm×8 mm 的方形带拱托盘主要存在的弊端是托盘承载能力与φ20 mm 的圆钢锚杆强度不匹配，调心球垫和减摩垫片不配套，从而降低锚杆支护效果。

3） 锚索托盘。锚索支护采用的 300 mm×300mm×14 mm 方形锚索平托盘主要存在的弊端是承载力差，托盘孔小与调心球垫不配套，当锚索与顶板不垂直施工时，托盘与锚索容易形成剪切力造成锚索切断。

2.2.2 技术参数方面

巷道顶部角锚杆与顶板铅锤线有10°~15°夹角，造成顶板角锚杆与中间的锚杆产生的预应力场不能形成一个整体性，破坏锚杆支护结构的完整性，降低了锚杆支护强度[3]。

3 锚杆参数优化设计

1）锚杆角度设计。巷道顶部两边角锚杆布置的角度对巷道顶板围岩应力场分布有着重要影响[4]，图3为模拟试验的顶板角锚杆施工角度不同时附加应力场变化情况。当角锚杆与巷道顶板夹角呈90°布置时，它与中部锚杆产生的压应力区形成连接叠加区域，锚杆支护效果最好。随着角锚杆布置角度的增大，角锚杆与巷道顶板中部锚杆之间产生的有效压应力区逐渐分割开，叠加连接范围逐渐减小。当顶板角锚杆打设的角度增大到15°, 有效压应力区基本分割开。当继续增大布置角度时，2 个锚杆形成的应力区完全分割开成为独立的支护单元。所以，在掘进巷道采用锚网索支护设计中，为保证支护效果，顶板角锚杆与铅垂线的夹角应小于10°。

图3 锚杆在不同角度布置情况下形成的压应力区变化分布图

2）顶板锚杆布置间距设计。为了解在11305 回风顺槽地质条件下，锚杆布置间距不同时产生的预应力场变化分布情况，为锚杆间距参数的选择提供依据。试验模拟了在预紧力为30 kN，顶板锚杆按间距1 000、1 100、1 200 mm 布置时锚杆形成的压应力区的分布变化情况，如图4 所示。

图4 顶板锚杆不同间距布置下压应力区分布情况

从图4 中可以看出：①锚杆布置间距分别为1 000、1 100 mm 时，同一排锚杆预紧力均在顶板形成了一定厚度的压应力区域和厚度较大的预应力承载结构；②当锚杆间距逐渐增大，锚杆预紧力在顶板围岩中形成的压应力区逐渐分离，当锚杆布置间距达到1 200 mm 时，锚杆尾部形成的压应力较大的区域已经完全分离，此时巷道顶板围岩不能形成一个连续整体的预应力承载结构，巷道围岩稳定性难以保持。

综上，在锚杆预紧力30 kN 的条件下，顶板锚杆间距最大为1 100 mm，如果再增加锚杆间距，则锚杆预紧力形成的压应力区难以在巷道顶板形成一个统一的整体。11305 回风顺槽宽度4.5 m，巷道顶板至少要有4 根锚杆，间距为1 100 mm，此时在巷道顶板能够形成连续的预应力承载结构，保持巷道稳定。

3）顶板锚杆排距设计。为了解在11305 回风顺槽地质条件下，锚杆布置排距不同时预应力场分布情况，为锚杆排距参数的选择提供依据。试验模拟了在预紧力为30 kN，顶板锚杆按排距1 000、1 100 mm、1 200 mm 布置时锚杆形成的压应力区的分布变化情况，如图5 所示。

图5 不同排距下顶锚杆压应力区变化分布情况

由图5 可以看出：①顶板锚杆布置排距分别为1 000、1 100 mm 时，锚杆预紧力在顶板沿巷道轴向形成了一定厚度的压应力区域和预应力承载结构，有利于巷道保持稳定；②锚杆排距逐渐增大时，锚杆预紧力在顶板围岩中形成的压应力区逐渐分离，当锚杆排距为1200 mm 时，锚杆尾部形成的压应力较大的区域已经分离，中部形成的压应力区也开始分离，不能形成连续的预应力承载结构，对巷道围岩结构稳定性造成较大影响。

综上，锚杆预紧力30 kN 时，排距最大1 100mm，若继续增大排距，不能形成连续的预应力承载结构，巷道顶板难以保持稳定。

以上对锚杆支护参数的模拟试验分析也同样适用于锚索支护参数选择，在此不再逐一分析。

4 11305 回风顺槽支护方案

结合上述综合分析结果，11305 回风顺槽掘进时支护设计为：

1）巷道顶部锚杆索布置设计。顶部锚杆：采用φ18 mm×2 400 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间排距布置为1 100 mm×1 100 mm。锚杆托盘选取方形带拱托盘，尺寸为150 mm×150 mm×8 mm，采用不低于Q235 钢材加工，选取配套的1010 尼龙垫圈和调心球垫，每根锚杆孔内装填1 支CK2360 型树脂药卷加长锚固。锚杆预紧扭矩值为200～400 N·m。锚杆全部垂直巷道顶板布置，误差不超过±5°。

顶部锚索：锚索采用φ17.8 mm×5 300 mm 钢绞线，按照“2-1”方式布置，锚索排距为2 200 mm，每根锚索采用2 支K2360 型树脂药卷，1 支CK2360 型树脂药卷进行锚固。

锚索托板采用方形带拱锚索托板，尺寸大小为300 mm×300 mm×14 mm，配套调心球垫。与巷道顶板呈90°夹角布置，锚索预紧力不低于200 kN。

2）非回采侧巷道帮部锚杆布置设计。采用φ16 mm×1 200 mm 圆钢锚杆，每根锚杆孔装填1 支K2360 型树脂药卷进行加长锚固。托盘选取方形带拱托盘，尺寸150 mm×150 mm×8 mm，采用不低于Q235 钢材加工，选取配套的1010 尼龙垫圈和调心球垫，锚杆预紧扭矩不低于80 N·m。锚杆垂直帮部安装。

3） 工作面回采侧帮部锚杆布置设计。采用φ20mm×2 200 mm 玻璃钢锚杆，每根锚杆孔装填1支K2360 型低粘度树脂药卷进行加长锚固，预紧力扭矩不低于40 N·m，锚杆与巷道帮部呈90°夹角布置。（具体支护设计如图6 所示）

图6 11305 回风顺槽巷道锚网索支护示意图

5 应用效果分析

图7 11305 回风顺槽巷道围岩变化曲线图

为了检验新支护方案是否达到巷道支护强度要求，在11305 回风顺槽施工后采用“十字”观测法对巷道围岩变形情况进行了为期60d 的现场数据监测采集，根据监测采集到的数据，绘制出巷道围岩变化特征曲线，如图7 所示。

通过分析图7 可知：巷道在0～20 d 内围岩变形量较大，在20 d 后，巷道顶底板移近量为81mm，两帮位移量为43 mm；随着时间的增长，巷道围岩变形量逐渐趋于稳定，支护后20～58 d 范围内,围岩基本不出现变形，基于此可知围岩已经处于稳定状态，巷道最终的顶底板最大移近量为87 mm，帮部最大位移量为46 mm，巷道顶部和帮部围岩变形得到有效控制。采用原支护方式掘进时，日掘进进尺平均为4 m，改用优化后的支护方式后，日掘进进尺平均达到5 m，比原支护方式多1m。

6 结 论

针对隆安煤矿原巷道掘进支护方式中存在的问题，通过模拟试验对比分析，对原巷道锚网索支护的技术参数进行了重新优化设计。经现场应用实践表明，新的支护方案不仅能够有效控制巷道围岩变形，达到巷道支护强度要求，而且大大降低了掘进成本，平均每米巷道降低掘进支护成本182.71 元，同时提高了巷道掘进效率，掘进进尺平均每天比原方案增加1m。该方案的成功应用为今后矿井在掘进巷道支护设计中提供了参考，具有较大的推广应用价值。