基于自然平衡拱的巷道锚杆支护技术的应用与研究

时间：2024-05-20

秦香果孙晓东

(1.山西煤炭管理干部学院煤矿安全工程系，山西太原030006；2.山西长沁煤焦有限公司安全培训中心，山西长治046512)

0 引言

某矿于1958年建井，1960年12月投产，经过两次改扩建后，矿井生产能力已由建井初期的90万t/a提升到300万t/a，并于1996年由原煤炭工业部正式命名为全国首批六个现代化大型矿井之一，为国家提供了大量的优质无烟煤，有力地支援了社会主义现代化建设。

近两年，由于井田内3#煤层已近枯竭，9#煤层也进行了大部开采，所剩资源有限。为了充分发挥矿井现有生产设施的最大潜力和充分利用资源，现需要将一些当初未采的部分3#煤层煤柱进行回收。该3#煤层煤柱工作面四周均有已掘巷道和已采空的工作面，采用以往的架棚支护技术巷道变形严重，给安全工作带来了很大困难，并且回采时巷修工作量大，增加了员工劳动强度，远远满足不了生产需要。据此，根据现场地质及生产条件，结合理论分析计算及专家经验，为该矿3#煤层提出了有效的锚杆支护方案，解决被采空区包围的煤柱工作面巷道支护难题，为矿井充分回收资源创造良好条件。

现以3#煤层某煤柱工作面为例，以自然平衡理论为依托，以锚、带、网联合支护技术为保障，研究该矿3#煤层中锚杆支护技术的应用。

1 某煤柱工作面概况

1.1 某煤柱工作面井上下位置关系

井上：上寺河以北，二仙掌以南，老毛沟以东，石城沟以西。地面标高为：850～905m。

井下：原11301煤柱以南，西一进风巷以北（已掘），北二进风巷以西（已掘），矿界以东。工作面标高为：671～710m。

1.2 煤层顶底板情况

老顶：细粒砂岩，厚度5.0m，灰色，中厚层状，石英为主，含云母片。直接顶：泥岩，厚度2.6m，灰黑色，致密，平坦状断口，含植物化石。伪顶：炭质泥岩，厚度0～0.4m，黑色，不稳定，随采掘脱落。直接底：细沙质泥岩，厚度2.3m，深灰色，含植物化石，具层理。老底：砂质泥岩，厚度5.6m，深灰色，致密，平坦状断口，含植物化石[1]。

1.3 工作面设计长度

该工作面走向长207.325米，倾斜长度53.730米。

1.4 水文地质及构造情况

该工作面地质条件比较简单，涌水主要来自上覆岩层裂隙水及邻近工作面采空区积水，预计该面掘进时，正常涌水量5～15m3/h左右，最大涌水量25m3/h左右；回采时，正常涌水量15～25m3/h左右，最大涌水量45m3/h左右；位于背斜一翼，总体呈单斜构造，煤层倾角4°～16°，平均10°左右。

1.5 煤层

该面所处位置煤层特别松软，平均煤厚为5.6m，煤层倾角平均为10°左右，黑灰色，厚层状，含炭质和黄铁矿，产丰富的植物化石。

2 锚杆支护强度设计

由于3#煤层煤体松软，节理发育差，采用普通锚杆支护理论很难达到理想效果，依据现场条件和设计人员的分析研究，决定采用自然平衡拱原理作为锚杆支护设计的数学模型，通过巷道围岩层间的关系来确定巷道支护的锚杆参数。平衡拱理论认为，煤矿巷道在开掘以后，煤层中围岩层与层间的相互支撑连接关系被破坏，因此巷道围岩就向自由空间移动从而形成自然平衡拱[2]，如图1所示。

图1 自然平衡拱理论模型图

2.1 巷道整体压力计算[3]

2.1.1 煤帮破碎深度C

式中h—巷道高度，取3.1m；θ—似摩擦角，θ=tg-1f；

f—煤的普氏硬度系数，取1.25。

计算得煤帮破碎深度C=1.1

2.1.2 自然平衡拱高度b

计算得自然平衡拱的高度b=2.68

2.1.3 巷道顶板压力Qd

式中γ—顶板岩（煤）层容重，取25kN/m3

计算得巷道的顶板压力Qd＝32.27kN/m

2.1.4 巷道侧帮压力Qc

2.2 锚杆支护参数确定

2.2.1 顶板支护用锚杆的长度L

式中L1—锚杆外露部分的长度，取0.50m；

L2—锚杆的有效长度，m；

L3—锚杆锚固段的长度，一般端锚时取0.30m~0.40m；

按锚杆处于最危险状态时的工况进行计算，也就是巷道的围岩出现了松动的破碎带（破碎带的高度为1.48m），此时就要求锚杆的有效长度L2应该比破碎带的高度b大。

综合考虑各类因素，最终确定顶板锚杆的长度L为2.4m。

2.2.2 顶锚杆的间、排距S

根据每根锚杆的锚固力确定巷道锚杆支护的间、排距：

式中K—锚杆安全系数，一般取K=1.5；

Q—锚杆锚固力，kN。

计算得顶锚杆的间、排距S=0.95m，综合考虑取S=1.0m。

2.2.3 帮锚杆长度LB

式中 LT—托盘厚度，取LT=0.02m；

β—锚杆与水平线的夹角；

L1—锚杆外露托盘的长度，取L1=0.08m；

L4—锚杆锚固稳定煤体的长度，取L4=0.2m。

计算得帮锚杆的长度LB=2.4m

2.2.4 每米巷道帮锚杆根数N

式中 K—锚杆安全系数，取1.5；

Kp—巷道围岩增载系数，取1.5；

TB—帮锚杆锚固力，按4kN计算；

计算得每米巷道帮锚杆的根数N=3.6，取N=4。

2.3 巷道锚杆支护设计

根据以上理论计算确定的参数，综合考虑该矿实际情况，在理论计算所得参数的基础上增加适当的锚索进行补强，最终确定3#煤层工作面顺槽锚杆支护的参数为(锚杆支护布置情况如图2所示)：

顶锚杆选用强力锚杆，强力锚杆为左旋无纵筋的螺纹钢筋，材质是BHR500，锚杆的杆体直径为22mm，锚杆长2400mm，锚杆杆尾的螺纹规格为M24[4]。锚杆的锚固选用加长锚固，配合两支低粘度的树脂锚固剂，规格分别为MSK2335和MSZ2360，锚固长度为1300mm，锚杆孔的直径为28mm。钢带采用SB-14-80-4100-5的钢梁，上面套规格为200mm×200mm×10mm的高强度拱形托板，并配合使用球形垫圈和塑料减摩垫片，同时加挂规格为5000mm×1100mm的金属网护顶。锚杆的排距和间距均取1000mm。

顶板采用锚杆支护以后，还应增加适当的锚索进行补强。加强锚索选用单根钢绞线，钢绞线的直径为22mm，长度为8300mm。锚索的锚固方式也为加长锚固，与锚杆锚固所不同的是，锚索锚固采用三支低粘度的锚固剂，其中一支慢速的锚固剂规格为MSK2335，另外两支快速的锚固剂规格为MSZ2360。锚索呈矩形布置，纵向排距为2000mm，横向间距为1700mm，同时配套使用规格为300mm×300mm×16mm的高强度可调心托板及专用锁具，锚索安装过程中使用锚索涨力器以保证预紧力为250kN。

帮锚杆的材质、规格、锚固方式及锚固剂的选用均与顶锚杆相同，所不同的是以下参数：帮锚杆的钻孔直径为30mm，锚固长度为1208mm，同时使用规格为280mm×400mm×4mm的W钢带托盘，并配合规格为150mm×150mm×10mm的拱型高强度托盘加球形垫圈和塑料减摩垫片，两帮加挂规格为3000mm×1100mm的金属网护帮。帮锚杆的排距为1000mm，间距为800mm，呈矩形布置。

图2 3#煤层锚杆支护布置图

3 锚杆支护施工

3.1 巷道施工

采用EBH-120型掘进机掘进施工，并严格执行掘进作业规程，保证成形质量，未经允许任何人不得随意改动支护设计，施工过程中出现意外情况，立即向工程技术人员汇报，确保安全生产，保证支护质量。

3.2 锚杆安装操作要求

由于该矿首次在3#煤层使用锚杆支护，故制定了详细的安装要求。锚杆应紧跟掘进头及时支护，最大空顶距单排掘进不得超过1400mm，最小控顶距不得超过400mm。顶锚杆孔使用单体锚杆钻机完成，钻孔时，先用1200mm的短钻杆破岩，然后用2400mm的长钻杆打孔，锚杆的孔深要求为2290mm～2320mm。在钻孔的过程中应注意钻孔的角度，当钻到预定的孔深后应下缩单体锚杆钻机，然后清除煤粉和泥浆。两帮锚杆采用专用帮锚杆钻机，一次成孔，孔深要求2290mm～2320mm，最后使用风动力矩扳手拧紧，使拧紧力矩达到300N·m。