风氧化带锚网索支护技术的研究与应用

刘旦龙，邓明亮，李光辉，魏垂胜

(1.河南煤业化工集团城郊煤矿，河南永城 476600;2.河南煤业化工集团车集煤矿，河南永城 476600)

风氧化带锚网索支护技术的研究与应用

刘旦龙1，邓明亮1，李光辉1，魏垂胜2

(1.河南煤业化工集团城郊煤矿，河南永城 476600;2.河南煤业化工集团车集煤矿，河南永城 476600)

城郊煤矿21205工作面胶带巷掘进至通尺1100m时遭遇风氧化带，通过“冒落拱”模型对巷道断面进行了优化，利用“悬吊理论”对支护参数进行了重新设计，同时通过加强监控检测等方法安全有效地通过了风氧化带区，取得了很好的效果。

风氧化带;锚网索;断面优化;冒落拱;悬吊理论

Technology of Anchored Cable Mesh Supporting in Oxidation Zone and Its Application

城郊煤矿是河南煤业化工集团永煤公司本部的5个现代化大型矿井之一，设计生产能力为5Mt/a。井田南北长约12km，东西宽约11km，北邻陈四楼井田，面积103km2。井田地表高程大约为34m。矿井设计利用储量为 725.76Mt，可采储量402.29Mt，其中第一水平 188.30Mt，第二水平213.99Mt。

1 地质概况

21205胶带巷位于城郊煤矿12采区，该工作面西为21401工作面 (未采)，东为21204工作面(未采)，南邻西北胶带运输巷保护煤柱，北至煤层露头风氧化带保护煤柱。设计长度1627.76m，巷道沿煤层掘进，煤层倾角最大为5°，最小为1°，平均为3°，煤厚3.18m;直接顶为泥岩，平均厚3.48m;基本顶为中粒沙岩，平均厚3.7m，属稳定岩层。设计巷道断面为矩形，净宽4.2m，毛断面按巷高2.9m计算，净断面按巷高2.8m计算。巷道顶板采用锚网带+锚索梁联合支护，帮部采用锚网梯支护。

21205胶带巷掘进至通尺1100m时，顶板0～7m段出现风化软弱岩层，顶板岩石强度明显降低，亲水能力变强，软化系数变低，支护非常困难，经过取样检测，得到风化岩层实际力学参数见表1。

表1 21205胶带巷风化岩层力学参数

2 技术应对措施

2.1 巷道断面优化

在原来的设计中巷道断面的确定是根据“冒落拱”理论确定的。岩层原岩应力因巷道的开挖而被破坏，在达到新的应力平衡之前，巷道上覆岩层要产生滑移、离层、冒落等运动，这些运动势必会对上部岩层产生一定的影响［1］。根据“冒落拱”高度的计算公式:

式中，B为巷道开掘宽度;f为岩石坚固性系数。

在顶板条件稳定时岩石坚固性系数f值为4，巷道开掘宽度取4.4m，所以在原设计条件下“冒落拱”高度H=0.55m。

遇到风氧化带后，经实测顶板岩石坚固性系数下降至3.5。由于原来的锚杆长度及锚固力等参数都是由原设计里的“冒落拱”高度进行验算，所以要保证支护质量满足要求，必须重新设计巷道宽度B，使冒落拱高度小于原来设计冒落拱高度。由式 (1)可以得到:

式中，f取遇到风氧化带后的顶板岩石坚固性系数;H为原设计冒落拱高度。代入得巷道宽度B=3.85m。

为了预留一定的安全系数，巷道宽度取3.6m。经进一步验算，优化后的巷道断面能满足掘进及回采时巷道正常通风行人等需求。

2.2 支护参数优化

通过现场实测，风氧化岩层顶部在距煤层上部5～7m的位置，整个风氧化岩层呈土黄色，强度很低，岩石物理力学性质与正常岩层物理力学性质相比结果见表1。锚杆及锚索的锚固段是否达到上部稳定岩层中，锚固力是否能悬吊住下部不稳定岩层是锚网索支护技术的关键。

在原设计中，巷道顶部采用锚网带支护，锚杆选用20mm×2200mm高强锚杆，设计锚固力120kN，锚杆间排距为800mm×800mm，钢带选用长3600mm的BHW－220－2.75型钢带，钢带排距为800mm，顶板采用锚索梁加强支护，锚索梁沿巷道中心线布置2排 (巷道中心线偏左800mm布置一排，偏右800mm布置一排);每侧锚索梁纵向间距为5000mm，锚索梁长度为3000mm，一梁三索。锚索使用 φ18.9mm钢绞线，长度不低于7000mm，预紧力150kN。巷道断面支护见图1。

图1 原巷道支护设计

低帮选用 φ16mm，长1800mm的树脂锚杆，排距800mm，高帮锚杆及布置同顶锚杆。

遇到风氧化带后，顶板锚杆无法有效地锚固到风氧化岩层上部的稳定岩层中，锚杆将失去悬吊作用，仅仅起到组合梁加固拱的作用，支护强度不符合要求。按照悬吊理论对支护参数进行重新设计。

锚索的间距、排距计算 (按最大断面计算)，设计令间距、排距均为a，则:

式中，a为锚索间、排距，m;Q为锚索设计锚固力，150kN/根;H为冒落拱高度，0.55m;r为被悬吊泥岩的重力密度，19.992kN/m3;K为安全系数，一般取2，考虑到顶板条件不好取较大值5。

通过以上计算，确定沿巷道中心线两侧各700mm布置两排走向锚索梁，锚索梁成三花布置，梁长3000mm，一梁三索，分别在距两端200mm及中间各钻φ22mm的锚索孔。锚索梁纵向间距由5000mm缩短为900mm，锚索规格为 φ18.9mm×8000mm，锚索使用有效长度不低于7500mm，预紧力150kN，另在锚索梁及索具中间加200mm×100mm×10mm的垫片，保证锚索外露长度为50～100mm。锚索梁紧跟工作面迎头。另外，为了保证顶板锚杆的组合加固效果，将锚杆间排距由原来设计的800mm×800mm优化成750mm×750mm。优化后巷道断面支护见图2。

图2 优化后巷道支护设计

2.3 加强监控检测

(1)监测内容 21205胶带巷监测主要内容有:巷道表面位移、围岩深部位移、顶板离层、锚杆锚固力、预紧力、锚索的预紧力等。

(2)监测方法 巷道顶板离层量使用顶板离层仪进行监测，在原设计中要求每隔50m安装1个，遇到风氧化带后要求每隔30m安装1个，且读数必须每隔3d观测1次，当顶板下沉速度每天大于5mm时要求每天观测。

巷道帮部位移量采用“十字测点”法监测，在原设计中要求每隔50m设置1个观测点，遇到风氧化带后要求每隔30m设置1个观测点，每隔3d观测1次，有任何异常情况及时汇报处理。

2.4 监控检测效果

从2011年11月开始，历经两个多月的跟踪监测，通过后期的的监测数据分析，可以明显地看出巷道的变形规律。大致可以将其分为掘进影响期、掘后稳定期［2］。

掘进影响期巷道相对变形量较为明显，顶板最大下沉速度达到7mm/d，距掘进工作面70～80m时巷道趋于稳定，顶板最大下沉量80mm。顶板离层仪浅基点最大读数为10mm，深基点无读数 (见图3)。两帮最大相对位移量为20mm。掘进稳定期围岩变形量显著降低，并且保持微小的速度，不断地产生蠕变。

图3 顶板离层

3 结束语

城郊煤矿21205胶带巷遇到风氧化带后，通过合理优化巷道断面，增强改进支护参数同时加强监护监测，成功地控制住了顶板风氧化带软弱岩层，杜绝了冒顶事故。

［1］郭成志.风氧化带内顶板支护技术的研究［J］.能源技术与管理，2004，3(3):38－39.

［2］陈福林，林雪礼，范高贤.风氧化带锚网梯支护监测技术应用 ［J］.煤矿现代化 (S)，2006:125－126.

TD353

B

1006-6225(2012)03-0061-02

2012－03－01

刘旦龙 (1988－)，男，湖南宁乡人，助理工程师，城郊煤矿技术员。

［责任编辑王兴库］