厚煤层煤巷掘进锚网索支护技术的研究

厚煤层煤巷掘进锚网索支护技术的研究

许芳印

（义马煤业集团孟津煤矿有限责任公司 河南孟津 471100 ）

摘要：深部松软厚煤层煤巷具有围岩地应力高、变形严重、围岩控制困难等特点，以2904巷为工程研究对象，采用现场调研方法对巷道围岩变形特征进行分析，并根据围岩变形特点提出锚杆+W钢带+锚索+金属网支护方式对围岩进行控制，并通过监测巷道围岩位移及窥视深部岩层变化情况对支护效果进行考察。结果表明：采用提出的围岩支护技术后，巷道围岩变形量在安全范围内，提出的巷道支护技术措施可以确保巷道掘进、使用安全。

关键词：厚煤层；锚网索支护；围岩观测

河南能源义煤公司孟津煤矿开采的二1煤层0.6-2.5m，平均厚度1.8m，f =0.3～0.5，顶底板均为泥岩，属典型三软不稳定煤层。原来，孟津煤矿的煤巷掘进一直采用 U 型钢或矿用工字钢支护，架棚为被动支护方式，稳定性差、维护工程量大，且在工作面回采期间需替棚扩修，支护成本高[1]。为改变该现状，孟津煤矿在煤巷支护上进行改革，在三软煤层煤巷中应用锚网索主动支护。文中以孟津煤矿11030胶带顺槽掘进为工程对象，在结合以往研究成果基础上，提出针对矿井实际的深部厚煤层煤巷围岩控制技术，以期为同类型矿井巷道支护提供参考。

1 工程概况

11030胶带顺槽设计长度957m，巷道为全煤巷道，沿二1煤层顶板掘进。工作面煤厚3.5m-8m，平均厚度5.6m。预计该掘进工作面煤层倾角3°～6°，平均为4°。煤层结构简单，属较稳定煤层。该工作面二1煤伪顶局部发育，偶见黑色炭质泥岩，松软易碎0m～0.5m; 二1煤层直接顶板为泥岩，厚度0m～2.9m，平均1.7m，较稳定。老顶为灰色-浅灰色中粒石英砂岩（大占砂岩），层面富集云母片，具斜层理，厚8.7m～15.7m，平均12.3m。二1煤顶板发育平整，相对比较稳定。底板岩性：二1煤层底板主要为泥岩和砂质泥岩，少量为粉砂岩或细砂岩，底板泥岩厚度0m～10m，平均4.6m。老底为泥岩夹细砂岩，其抗压、抗拉强度次于顶板。

2 深部松软厚煤层煤巷围岩变形破坏特征

通过现场调孟津煤矿已掘进煤巷围岩变形得知，在深部松软厚煤层中掘进、后期维护过程中巷道围岩变形特性变化多样，根据巷道围岩变形位置可细分为顶板失稳变形、底板隆起变形以及巷帮收敛变形等[2]，其中顶板失稳变形最为明显，顶板下沉量严重时引起的冒顶事故会给作业人员安全带来威胁。通过调研，巷道围岩变形主要特征为：

（1）顶板下沉明显

在深部松软厚煤层中掘进时，巷道围岩变形最为明显的特征时顶板下沉量明显，特别是巷道顶板为松软泥岩、砂质泥岩时，由于岩性差异明显，岩层更容易出现离层、破断[3]。在2904巷掘进时，在巷道中心位置出现有厚度在500mm、宽度在2000mm的剪切及拉伸破坏区，松软煤体在压应力、剪切应力共同作用下造成顶板岩层破碎，容易引起顶板冒落。

（2）巷道帮角破碎

掘进巷道为矩形巷道时，在巷帮帮角处容易出现应力集中，在帮角剪切应力作用下，不容易出现破碎[4]。现场调研发现，部分巷道顶板帮角处煤体松散垮落，被金属网兜住，随着煤体垮塌范围增加，巷道围岩支护体系容易失效，造成围岩变形严重。

3 支护参数确定

（1）锚杆支护参数计算

按悬吊理论计算锚杆参数[5]。

1、锚杆长度的确定

L=L1+L2+L3

式中：

L——锚杆全长；

L1——锚杆外露长度，取L1＝0.15m；

L1＝垫板厚度+螺母厚度+（0.01～0.05）m；

L2——锚杆的有效长度，m；

L2=B/2f=0.5m

式中：

B——巷道跨度，取6m；

f——岩层硬度系数，取f=6；

L3——锚杆锚固段长度，取1.27m；

锚固剂型号：MSK2550，使用数量：2支；锚杆直径：22mm，锚杆眼直径：30mm；则：L=L1+L2+L3=0.15+0.5+1.27=1.92m。

设计取2.4m，均满足支护要求。

（2）锚杆间距

则：D=0.5×2=1m，锚杆间距取0.9m。

3.锚杆直径的确定

式中：

d——锚杆直径，m；

L——锚杆长度，取2.4m。

则：d==0.0218m=21.8mm。

通过以上计算，选用Φ22mm采用左旋无纵筋高强锚杆长2400mm，锚杆间、排距为900×900mm，满足设计要求。

（3）锚索参数计算

按悬吊理论计算锚索参数。

①锚索长度的确定

L=L1+L2+L3

式中：

L——锚索设计长度，m；

L1——锚索外露长度，取0.35m，L1＝托盘厚度+锁具长度+（0.15～0.25）m；

L3——锚索的锚固长度，m；

L2——锚索的有效锚固长度，m。

全岩稳定顶板L2=

式中：

B——巷道宽度，6m；

H——巷道掘高，4m；

f——顶板岩石普氏系数；（取6）

ω——两帮围岩的似内摩擦角，ω=arctan（f）=80.538°；

L2=0.555m；

锚索的锚固长度：L3= =3.52m。

锚固剂型号；MSK2550，使用数量：4支，锚索直径：21.8

mm，锚索眼直径：30mm；

L3取3.52m；

则L=0.35+0.555+3.52=4.425m。

通过以上计算，锚索采用规格：Φ21.8×8000mm，间、排距为1600×1800mm，能够满足设计要求。

4 支护设计

设计采用锚网索+钢带支护，掘进断面24㎡，掘进宽度6000mm，掘进高度4000mm。顶部打设7根高强锚杆，锚杆规格φ22mm×2400mm，间排距900mm×900mm；顶部锚索每排4根，锚索规格φ21.8×8000mm，间排距1600×1800mm。顶部采用M5型钢带2根：单根长2900mm，孔距900mm，搭接100mm。联网：顶部采用单层钢筋网：φ6.5mm×1200mm×2200mm，网格100mm，网片搭接100mm。两帮部各打设3根锚索（距顶第一根、第五根打设高强锚杆；根据顶部伪顶厚度变化，遇岩体锚索位置打设高强锚杆，遇煤体打设锚索。），锚索采用φ21.8×4300mm，间排距900mm×900mm。帮部采用2根M5型钢带：孔距900mm，单根长2000mm，搭接100mm。帮部采用单层轧花网，φ3.0mm×1200mm×2200mm，网格50mm，网片搭接100mm。

5 支护材料选择及支护质量要求

（1）根据上述确定的永久支护形式及参数，选择下列支护材料

①锚杆及锚固剂：锚杆采用Φ22×2400mm左旋无纵筋高强锚杆，每根锚杆配2卷MSK2550树脂药卷，锚杆托盘规格：150mm×150mm×10mm，托盘拱高：25mm。

②网片：钢筋网规格：Ф6.5mm×1200mm×2200mm，网格100mm；φ3.0mm×1200mm×2200mm，网格50mm。

③锚索、锚索托盘：顶部锚索直径为Φ21.8mm，长为8000mm，每根锚索配4卷MSK2550树脂药卷。帮部锚索直径为Φ21.8mm，长为4300mm，每根锚索配3卷MSK2550树脂药卷。锚索托盘规格：300mm×300mm×15mm，托盘拱高：45mm。

（2）支护质量要求

①锚杆支护要求：岩体锚杆锚固力不小于127kN(30Mpa)，煤体锚杆锚固力不小于100kN(20Mpa)，扭矩不小于300N•m。锚杆托盘必须紧贴岩面，并且锚杆与巷道轮廓线的夹角不小于75°（底脚锚杆角度偏差不超过5°），高强锚杆调心球必须安装在锚杆盘中央锚杆孔中，并加装减摩垫片；锚杆外露10-50mm。

②网片支护要求：钢筋网铺设必须舒展、不得松弛，不得露出帮、顶；弯钩搭接100mm，并采用双股16#铁丝绑扎，三花型联网，联网间距100mm，拧紧拧牢，网间压接牢固，确保连接质量。轧花网联网搭接100mm，并采用双股16#铁丝绑扎，三花型联网，联网间距150mm，拧紧拧牢，网间压接牢固，确保连接质量。

③锚索支护要求：顶部锚索预紧力不小于160kN(35Mpa)，帮部锚索预紧力不小于15Mpa。锚索外露长度控制在150～250mm。

④钢带支护要求：钢带搭接100mm。

6 支护效果分析

在巷道支护完成后，间隔100m布置2个测站对巷道顶板离层、表层围岩变形情况进行监测。监测结果表明，巷帮最大收敛量为365mm，顶板最大下沉量为193mm，最大离层量为80mm。巷道掘进以及支护完成后，顶板岩层均稳定。用钻孔窥视仪对支护完成后的顶板、巷帮岩层情况进行窥视，其中顶板布置3个、巷帮布置2个窥视钻孔（孔径73mm、深10m），从窥视结果得出，在巷道顶板上覆600mm处顶板岩层有裂隙发育，且距离顶板越级裂隙宽度越大；在顶板上方2500mm、4600mm位置发现有顶板离层显现，离层量分别为3mm、1mm。在巷帮布置的窥视钻孔发现在距巷帮600mm位置处发育有裂隙，在其他位置未发现有裂隙扩展。围岩变形量及钻孔窥视结果均表明，在深部松软厚煤层中提出的围岩控制措施可以确保巷道围岩稳定。

7 结论

锚梁网支护在孟津煤矿的成功实施，验证了锚杆主动支护具有适用性广、支护稳定性高、掘进速度快、成本投入少等优点。解决了三软煤层支护难问题，为锚梁网支护在三软特厚煤层中的推广应用积累了宝贵的经验，具有较好的推广应用价值。

参考文献

[1]张治高，朱庆文，万晓，等 . 深部特厚松软煤层巷道支护控制[J]. 煤矿开采，2019，24（01）：67-72+21.

[2]李溪枝．厚煤层沿底巷道顶板变形机理和加固技术研究[J]．中国矿业，2021，30（8）：154-160.

[3]王金华. 全煤巷道锚杆锚索联合支护机理与效果分析[J]. 煤炭学报，2012，37（1）：1 - 7

[4]罗新旗，高小雷，王文才. 基于自然平衡拱的巷道锚杆锚索支护参数优化与应用[J]. 煤炭技术，2022，41 （11）：56 -59.

[5]肖国刚，董 淼．锚杆支护密度对巷道围岩变形的影响分析[J]．煤炭技术，2016( 10) : 89－91．

作者简介：许芳印（1988.09--），男，汉族，河南商丘人，本科，河南理工大学，采矿工程，工程师

1