优化巷道支护技术研究应用

优化巷道支护技术研究应用

李,健

山西煤炭运销集团泰安煤业有限公司

山西省忻州市保德县  邮编：036600

摘要：本单位为兼并重组整合矿井，目前开采8#煤层和11#煤层，8#煤正进行剩余资源回收工作，11#煤层为主采煤层。11#煤层平均厚度1.57m，埋深139-322m，首采面已布置完毕。11#煤层首采面巷道支护采用设计院提供的支护参数，支护设计不合理，影响巷道的掘进速度，增加支护成本。因此，合理优化巷道支护参数，在确保巷道安全使用的情况下降低支护密度，对矿井具有较高的技术经济效益。

关键词：优化巷道；支护设计；节省成本

引言

支护设计是巷道锚杆支护中的一项关键技术，对充分发挥锚杆支护的优越性和保证巷道的安全具有十分重要的意义。如果支护形式和参数选择不合理，就会造成两个极端：其一是支护强度太高，不仅浪费支护材料，而且影响掘进速度；其二是支护强度不够，不能有效控制围岩变形，出现冒顶事故。

本公司矿井生产能力180万吨，11#煤层为主采煤层，上部8#煤层平均厚度4.31m，已采空，11#煤层上距8#煤层26.49m～44.48m，平均36.60m。11#煤层厚度1.43m～1.95m，平均厚度1.57m，直接顶为含钙泥岩，平均厚度3.1m，基本顶为泥质粉砂岩，平均厚度4.3m，直接底为泥岩，平均厚度3.57m。

本次设计的11103运输顺槽为11#煤层第三个工作面运输顺槽，沿11#煤层掘进，埋深在200m左右。目前巷道的支护方式为锚网索联合支护，支护参数由设计院提供，巷道支护存在的问题主要有两方面：1、当前支护参数下支护强度过大，导致巷道掘进速度慢，影响矿上的采掘衔接；2、锚杆锚索支护构件如锚杆托盘、锚索托盘等不合理，影响支护效果，浪费支护材料。因此，有必要对11103运输顺槽进行支护技术研究，确定巷道合理的支护方式及参数，在保证巷道安全使用的前提下适当降低支护强度，降低工人劳动强度、提高掘进速度。

基于地质力学测试成果、当前支护下巷道的变形情况以及其他矿井类似地质条件下的支护经验，结合数值模拟结果，提出了初始支护设计。以下是本单位11103运输顺槽锚杆支护初始设计。它包括地质力学调查，支护形式和参数设计，支护材料选择，井下施工工艺和安全措施，矿压监测等内容。

一、为了充分发挥锚杆、锚索支护的作用，提出以下设计原则

1、一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。一方面，这是矿井实现高效、安全生产的要求，为采矿服务的巷道和硐室等工程，需要保持长期稳定，不能经常维修；另一方面，这是锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到显著影响。

    2、高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚度与完整性。

3、“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度（如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度）、刚度（提高锚杆预应力、全长锚固），保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。

4、临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。因此，设计锚杆支护系统的强度与刚度应大

于临界值。

5、相互匹配原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。

6、可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。

7、在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。

二、11103运输顺槽支护方案

11103运输顺槽矩形断面，沿11煤层顶板掘进，掘进宽度4.8m，高度2.5m，掘进断面积为12m2。

1、顶板支护

锚杆形式和规格：杆体为直径20mm左旋无纵筋螺纹钢筋，屈服载荷105kN，长度2000mm，螺纹长度150mm，杆尾螺纹为M22。

锚固方式：树脂加长锚固，采用两支树脂药卷，一支规格为CK2340，一支规格为Z2360，钻头直径为28mm。

锚杆配件：采用高强锚杆螺母M22，托板采用方形带拱托板，配套调心球垫和1010尼龙垫圈，托板尺寸为150×150×8mm，钢号不低于Q235。

钢筋托梁：选用直径12mm的钢筋焊接而成，托梁宽度为80mm，长度为4600mm，锚杆孔中心间距为1100mm。

网片规格：采用φ6mm钢筋焊接的钢筋网，网片规格4800×1200mm，网孔规格100×100mm，用16#铅丝联接，双丝双扣，孔孔相连。

锚杆布置：锚杆排距1100mm，每排5根锚杆，间距1100mm。锚杆预紧扭矩不低于300N·m，但不能超过500N·m。锚杆全部垂直顶板安装，考虑到施工需要，允许5°误差。

锚索形式和规格：锚索材料为17.8mm，17股预应力钢绞线，延伸率3.5%，长度5300mm，钻头直径28mm，采用三支树脂药卷，两支规格为Z2360，一支规格为CK2340。

锚索托板：采用300mm×300mm×14mm方形带拱锚索托板，配套调心球垫。承载能力不低于400kN，托板拱高不低于60mm。

锚索“二 二”布置，排距3300mm。全部垂直巷道顶板打设，锚索张拉锁定后预紧力不低于200kN。

2、煤柱侧帮

锚杆形式和规格：杆体为直径20mm左旋无纵筋螺纹钢筋，屈服载荷105kN，长度2000mm，螺纹长度150mm，杆尾螺纹为M22。

锚固方式：树脂加长锚固，采用一支树脂药卷，规格为Z2360，钻头直径为28mm。

锚杆配件：采用高强锚杆螺母M22，托板采用方形带拱托板，配套调心球垫和1010尼龙垫圈，托板尺寸为150×150×8mm，钢号不低于Q235。

网片规格：采用10#铁丝编织的菱形金属网护帮，网片规格1300×1200，网孔规格30×30mm。用16#铅丝联接，双丝双扣，孔孔相连。

锚杆布置：锚杆排距1100mm，每帮2根锚杆，间距1100mm。锚杆预紧扭矩不低于300N·m，但不能超过500N·m。锚杆全部垂直帮部安装，考虑到施工需要，允许5°误差。

3、工作面侧帮

锚杆形式和规格：杆体为直径20mm，长度为2000mm的玻璃钢锚杆。

锚固方式：采用一支规格为Z2360低粘度树脂药卷。钻头直径为28mm。

锚杆预紧力：帮部玻璃钢锚杆预紧力矩为40N·m。。

网片规格：采用塑料网护帮，网片规格1300×1200。

锚杆布置：锚杆排距1100mm，每帮2根锚杆，间距1100mm。锚杆全部垂直帮部安装，考虑到施工需要，允许5°误差。

4、特殊地段处理措施

遇到断层、陷落柱、破碎带、顶板淋水严重、顶板冒落严重等特殊地质条件，及时汇报矿生产技术科，及时减小锚杆、锚索间排距，必要时辅助架棚支护，架棚支护参数参考矿上原架棚支护参数。

说明：锚杆预紧力是巷道支护的关健因素，必须及时施加达到设计要求的预紧力矩，锚杆外露长度不作为施工质量的考核指标，但必须控制好钻孔深度，尽量保证锚杆外露长度不超过40mm。

三、支护材料配套

    锚杆杆体为左旋无纵筋螺纹钢筋专用锚杆钢材，钢材屈服强度不低于335MPa。体公称直径20mm，长度2000mm。极限拉断力154kN，屈服力为105kN，延伸率18%。杆尾螺纹规格M22，采用滚压加工工艺成型，螺纹长度150mm。玻璃钢锚杆杆体为直径20mm，长度为2000mm，配套螺母和托板。树脂药卷型号分别为：CK2340，即直径23mm，长度400mm，固化时间为超速；Z2360，即直径23mm，长度600mm，固化时间为中速。方形带拱托板，尺寸150×150×8mm，托板承载力不低于154kN；配套调心球垫和1010尼龙垫圈。锚索索体材料：17股预应力钢绞线，公称直径17.8mm，极限破断力327kN，延伸率不小于3.5%。锚索配件托板型号和规格：方形带拱锚索托板，尺寸300×300×14mm，含调心球垫，承载能力不低于400kN。钢筋托梁型号与规格：选用直径12mm的钢筋焊接而成，托梁宽度为80mm，长度为4600mm，锚杆孔中心间距为1100mm。

四、支护材料成本对比

11103运输顺槽原支护方案下每米巷道支护成本：顶锚杆φ22×2400mm，每米7根，每根价格50元，7×50=350元；圆钢锚杆φ20×2200mm，每米4根，每根价格42元，4×42=168元；玻璃锚杆φ20×2200mm，每米2根，每根价格38元，2×38=76元；锚索φ15.24×8300mm，每米1套，每套价格260元，1×260=260元；锚固剂每米消耗27根，27×4.5=121.5元；钢筋网φ6.5×100×100mm，每米消耗5 m2，5×28.5=142.5元；铁丝网每米消耗3m2，3×27=81元；尼龙网每米消耗3m2，3×15.8=47.4元。每米消耗材料总共价格为1246.4元。

新支护方案11103运输顺槽每米巷道支护成本721.21元，较原支护方案对比，支护成本降低525.19元，支护成本降低42.1%。

结语：

1、结合锚杆支护技术原理，分析评价11#煤层巷道原有锚杆支护，提出原有锚杆支护改进方向，开展围岩地质力学测试，改进支护材料，提高技术质量要求，在保证锚杆支护质量的前提下适当放大间排距，加快掘进速度。

2、测试结果显示， 11#煤层现开采区域属低应力区，顶板围岩强度相对较高，岩层结构完整。

3、引进开发新型锚杆锚索托板，使其与杆体索体配套，更符合锚杆支护原理,更有利于锚杆锚索预紧力施加。优化施工机具，大幅提高锚杆锚索预紧力，真正实现主动支护。

4、现场应用实例表明，针对本公司11#煤层巷道，预应力锚杆锚索支护体系能降低支护成本，提高掘进速度,实现降本增效。高预应力锚杆支护技术的应用，使本矿锚杆支护技术水平明显提升。