下分层回采巷道的全锚索支护技术研究

李学鹏

（山西长平煤业有限责任公司，山西 高平 048499）

在我国大中型煤矿中，巷道采用锚杆支护的比例已超过90%[1]。随着锚杆支护技术的发展，近些年煤矿巷道的掘进速率和支护效果得到了很大的提高。然而，煤巷锚杆（索）支护技术还有很大的发展空间[2-4]，研究采动影响条件下回采巷道锚索支护，对快速掘进和支护安全有着重要的意义。长平煤矿下分层回采巷道现采用钢棚支护形式，支护效果不佳、工作量大、支护成本高。

1 工程概况

1.1 41052 运输巷位置

长平煤矿41052 工作面位于3 号煤层41 采区西翼，工作面位置如图1 所示。3 号煤层厚4.7 m，倾角13°，采用分层开采法，上分层厚2.4 m，下分层厚2.3 m。41052 工作面为下分层工作面，北部和西部为上下分层均已回采的采空区，南部为大巷保护煤柱，东部为上山保护煤柱。

图1 工作面位置示意图

41052 运输巷位于41051 工作面之下，41051工作面2016 年2 月回采结束，采空区存在积水。41052 运输巷长度为356 m，平均埋深为473 m。

1.2 41052 运输巷顶底板概况

41052 运输巷直接顶为金属网假顶，基本顶为6.2 m 厚的细粒砂岩与砂质泥岩互层。41052 运输巷的综合柱状图如图2。

图2 综合柱状图

1.3 41052 运输巷顶板结构分析

在41052 运输巷中41052 开切眼附近进行顶板钻孔窥视，3 号煤层顶板以上0～4.2 m 围岩破碎严重，4.2～6.0 m 顶板相对较好，但6.0 m 处有一处明显裂隙破碎，6.0 m 以上顶板完好，岩体为整体块状结构。

根据该矿多个顶分层工作面回采期间的矿压观测总结，直接顶冒落高度2～4 m，破断步距12～17 m，煤层倾斜方向基本顶分段下沉垮落长度7.5～15 m。根据多条下分层煤巷顶板钻孔窥视情况和打钻过程排渣情况分析，冒落的破碎带岩层最大发育高度为6 m，6 m 往上钻孔壁趋于完整，裂隙较少，推测进入裂隙带内。

2 下分层回采巷道新型支护形式的提出

2.1 传统支护形式问题分析

按照长平矿以往下分层回采巷道的支护经验，此类巷道均采用12#工字钢棚+工字钢抬棚被动支护，支架不能提高巷道围岩的残余强度，使得巷道松动围岩压力全部由支架承受。下分层巷道顶板为垮落后重新压实和胶结的顶板，支架在对巷道径向围岩支护阻力不足时，顶板会发生离层和下沉，围岩残余强度会降低，使得巷道松动圈增加，造成巷道变形严重。底板为泥岩时，在水的作用下，棚腿会钻底严重，加剧巷道变形。下分层的弱胶结顶板在受到采动影响后，巷道顶板破碎范围会进一步增加，工字钢变形严重，甚至出现顶梁挡块脱焊现象，在工作面回采过程中，需要不断重复修棚换棚，支护成本大大提升。

2.2 新型支护形式的提出

根据相邻采区下分层回采巷道掘进观测结果可知，巷道开口后初期顶板破断前并不淋水，证明此地质条件下的下分层巷道顶板已经压实并胶结，具有隔水性，推断其具有一定承载能力。

根据锚杆支护的“组合梁”[5-6]，如果采用长锚索支护，将锚索锚固在深部中粒砂岩层中，通过向锚索施加一定的预应力，巷道顶板下部的破碎胶结层和深部砂岩层可以形成组合梁，巷道两帮可以看作为组合梁的支点，此种组合梁可以防止岩石沿层面滑动，避免各岩层出现离层现象，增加了整体的抗弯能力，可以稳定支承其上部的岩层载荷。深部裂隙带的稳定岩层对下部垮落松散层起到悬吊作用。各层间摩擦阻力愈大，整体强度愈大，补强效果愈好。对于回采巷道揭露的层状岩体，直接顶均有弯曲下沉变形趋势，如果使用锚索及时将其挤压，并悬吊在基本顶上，直接顶板就不会与基本顶离层乃至脱落。

实施锚网索支护后，锚索和锚固区域的岩体相互作用形成统一的承载结构，可提高锚固体的力学参数，改善围岩的力学性能。下分层煤巷的围岩锚固区内的煤岩体处于破碎区和塑性区，锚固后可以提高其残余强度，可以改变围岩的应力状态，增加围压，从而提高围岩的承载能力。巷道围岩锚固体强度提高以后，可减少两帮破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移，有利于保持巷道围岩的稳定。

锚索支护降低劳动强度，简化了施工过程，降低了成本。

2.3 锚网支护设计

根据悬吊理论，顶板锚索锚固力最低要能悬吊顶板浅部松散岩体的重力。

1）顶板锚索长度Lt

式中：La为锚入完整岩体的锚固长度，取1.5 m；Lb为被悬吊的岩层厚度，取6 m；Lc为索具及托盘的厚度，一般取0.15 m；Ld为外露长度，取0.25 m。经计算Lt≥7.90 m。最终，锚索长度定为8.00 m。

2）顶板锚索直径

锚索的直径应先按照锚索能承受的最大锚固力进行计算，其计算公式如下：

式中：φ为锚索的直径，mm；Fmax为锚索最大锚固力，500 kN；Rm为钢绞线的抗拉强度，1860 MPa。经计算可得锚索φ=18.50 mm。因此，可选择直径为18.9 mm 的锚索。

3）顶板锚索间排距

按照等间排距计算：

式中：Fmax为最大锚固力，取500 kN；K为1.5～2，取2；γ为悬吊岩石平均容重，取19 000 N/m3；s1、s2为锚索间排距，m。经计算s1=s2=1.48 m。考虑到此巷道为下分层回采巷道，应适当减小锚索间排距，顶锚索间排距初定为900 mm×900 mm。

4）通过悬吊松散层重力验证顶板锚索直径

式中：W为破碎岩层单位长度巷道承受顶板的总重力，W=γ×B×Lb，B为巷道宽，4.8 m，经计算，W=547 200 N；n为每排锚索的根数，取5；Ka为安全系数，取0.5。经计算φ=12.2 mm。因此，实际选用锚索的直径为18.9 mm，符合要求。

5）帮锚索的长度

巷道两帮潜在破坏区宽度由公式（5）计算：

式中：L1为破坏区宽度，m；h为巷道高度，取3 m；β为煤层内摩擦角，取35°。经计算L1=0.528 m。

帮锚索长度Lw由公式（6）计算：

式中：La为锚入完整岩体的锚固长度，取1.5 m；Lc为索具及托盘的厚度，一般取0.15 m；Ld为外露长度，取0.25 m。经计算Lt≥2.428 m。考虑到此巷道为下分层回采巷道，煤层受上分层回采影响，煤层岩体强度有所减弱，巷帮的上半部煤层帮锚索长度定为4.3 m，下半部岩层帮锚索长度定为2.5 m。

6）帮锚索的间排距

考虑到施工工艺的统一性，令帮锚索间排距相等为sb，sb≤0.5Lt。经计算sb≤1.214 m。综合考虑顶帮的统一施工，最终将帮锚索间排距定为900 mm×900 mm。

巷道断面为梯形断面，底板宽4800 mm，中线高3000 mm，低帮高2450 mm，高帮高3550 mm。结合现场观测和理论计算结果提出以下支护方案。

顶板锚索：顶板采用Φ18.9 mm×8000 mm 高强预应力锚索，锚索排距为900 mm。考虑到巷道跨度较大，巷道中间的顶板区域在受力变形时弯曲变形将较为严重，拉应力区较大，需要通过加密中部顶板锚索间距补偿压应力，以达到改善顶板应力状态的效果。因此，将顶板中间三根锚索的间距定为800 mm，两侧的两根锚索间距变为1000 mm，如图3 所示。锚索预紧力不小于200 kN，锚固力不小于500 kN。沿巷道中心线打设一排单体柱抬棚，单体液压支柱间距为900 mm。

图3 巷道支护设计断面图（mm）

帮部锚索：如图3 所示，煤段采用Φ18.9 mm×4300 mm 高强预应力锚索，岩段采用Φ18.9 mm×2500 mm 高强预应力锚索。锚索预应力不小于200 kN，锚固力不小于500 kN。

3 新型支护方案的数值模拟效果验证

3.1 模型建立

采用FLAC3D6.0 数值模拟软件对锚网索支护效果进行计算分析。模型在巷道轴向方向长为0.9 m，模型尺寸为50 m×50 m×0.9 m，模型顶部边界施加大小为1.648 MPa 的均布载荷代替顶部岩层，四周限制水平位移，z轴方向限制z方向位移，侧压系数均设为1。

3.2 参数取值

通过现场岩样采集、实验室岩石物理力学参数测定后，测得岩块物理力学参数，再通过Hoek-Brown 准则将岩块物理力学参数进行折减得到各岩层岩体的物理力学参数，最终岩体的密度ρ、弹性模量Em、泊松比μ、单轴抗拉强度σtm、内聚力cm等岩体力学参数见表1[7]。

3.3 锚网索支护效果验证

将表1 中参数带入数值模拟软件进行计算，锚索支护参数完全按照2.3 中的设计结果进行设定，最终得到巷道的位移云图如图4。对巷道的顶底板和两帮中点位置进行巷道表面位移量监测，最终得到顶板下沉量为72 mm，底鼓量为230 mm，高帮移近量为42 mm，低帮移近量为35 mm。从数值模拟结果可以得出，巷道采用锚网索支护后整体的变形量符合安全需求。

图4 锚网索支护位移云图

4 现场工业性试验

4.1 现场观测

将锚网索支护方案在41042 运输巷进行现场工业性试验。巷道掘进后，在距开口距离为50 m和100 m 位置，采用十字布点法对巷道的表面位移量进行观测。距开口50 m 处巷道顶板下沉量为32 mm，底鼓量为103 mm，高帮移近量为23 mm，低帮移近量为15 mm；距开口100 m 处巷道顶板下沉量为46 mm，底鼓量为113 mm，高帮移近量为45 mm，低帮移近量为24 mm。现场检测结果和数值模拟的监测结果比较接近，巷道的变形量可以满足安全要求。

4.2 经济效果

采用锚网索支护后成本大大减少。传统工钢棚支护单价为4562 元/m，锚网索新型支护前期施工中成本为2850 元/m，每米减少投入1712 元。另外，工作面回采时，采用锚网索支护可回收全部顶板锚索梁和托盘，锚网索支护实际投入为1463 元/m，成本单价降低了3099 元/m，全巷预计可减少材料费投入110 万元。

采用锚网索支护后，劳动组织方式得到了优化，相较于工钢棚支护每班减少卸、运工钢棚人员，减少了后期巷道修理人员，降低了工人劳动强度，提高了安全系数。

5 结论

1）通过总结分析长平煤矿下分层回采巷道传统支护形式的缺点，提出新的锚索支护方案；通过现场观测和理论计算的方法，确定了锚索支护方案。

2）采用FLAC3D数值模拟软件建立了41052 运输巷模型，对锚网索支护效果进行模拟分析，证明了锚网索支护方案的可行性。

3）将所确定的锚网索支护方案应用于41052运输巷现场施工，巷道掘进后变形量可以满足安全要求，证明下分层回采巷道在顶板胶结较好时，可以采用锚索梁+金属网进行支护，可为同等条件下工程提供借鉴和参考。