薄煤層工作面回采巷道圍巖錨桿支護技術(shù)研究

1  工作面巷道布置概況

　　某煤礦工作面位于六采 區(qū)北部 ，正南北走 向，兩區(qū)段平巷均沿 2 煤挑頂破底布置 ，兩區(qū)段平巷外段均布置聯(lián)絡(luò)巷與六采區(qū)北部軌道上 山、回風(fēng)上山連接；工作面上區(qū)段平巷為工作面軌道平巷 ，靠工作面回采側(cè)布置移動電站；下區(qū)段平巷為工作面運輸平巷，靠工作面回采側(cè)布置膠帶輸送機；在停采線外 ，軌道平巷與運輸平巷之間布置 6212消火道 。工作面開切眼位于六采區(qū)北部邊界附近 ，工作面設(shè)計停采線距北部皮帶上山40 m 。

工作面兩區(qū)段平巷均為實體巷道，正南北向平行布置，矩形斷面，錨網(wǎng)支護。根據(jù)綜采設(shè)備安裝 、運輸 、生產(chǎn)檢修及施工的要求 ，兩 區(qū)段平巷設(shè)計凈 寬均為 4．1 m ，軌 道平 巷凈高 2．6 m ，運輸平巷凈高 2．2～2．6 m 。

　　該工作面整體布置于小南湖向斜中，該向斜為寬緩向斜，向斜核部位于工作面中部偏北，軸向近東西；受小南湖向斜影響，工作面總體趨勢南北高、中間低，西高東低；工作面煤層起伏變化較大，南部及向斜核部相對平緩，北部傾角較大，最大19。；煤層總體走向大致為 135?！玂～32。，傾向為45?！?0。～122。，煤層傾角 3?！?9。，平均 7。。低洼處易積水 ，對 回采有一定影響?。

　　該工作面內(nèi)小斷層發(fā)育，巷道掘進過程中共揭露 43 條斷層 ，斷層 向面內(nèi)延伸長度不詳 。其 中落差小于 1 m 的斷層 30 條 ，對回采有一定影響 ；1 2 m 之間的斷層 7 條 ，對 回采有較大影響 ；大于2 m 的斷層 6 條，對回采有很大影響。

2 工作面巷道支護方案

2．1  區(qū)段平巷錨桿支護參數(shù)

2．1．1 錨桿長度

錨桿長度計算式為：L =L 1+L 2+L 3式 中， 為錨桿長度 ，m ；L。為錨桿外露長度 ，一般取 O．1 m ；L 為錨桿的有效長度 ，取直接頂 的厚度 1．5 m ；L，為錨桿錨 固段長度 ，取 O．5 m 。經(jīng)計算，錨桿的長度為2．1 m ，取 2．2 m 。2．1．2 錨桿 的直徑根據(jù)桿體承載力與錨固力等強度原則，錨桿直徑計算式為 ：

d=35．52N／Q／~ ,式 中 ，d 為錨 桿截 面 直徑 ，m m ；Q 為錨 桿 緊固力大小 ，取 90 kN ； 為錨桿徑 向抗拉強度 ，取345 M P a。經(jīng)計算，錨桿截面直徑為 20 m m ，為了更好地固定頂板 ，取 d=22 m m 。

2．1-3 錨桿間排距

　　每根錨桿對應(yīng)一定的懸 吊的巖石重量 ，懸 吊重量即為每根錨桿的錨 固力 。由于巖石密度變化均勻，通常錨桿按等距排列，錨桿間排距計算式為：

式 中 ，口為錨 桿間排距 ，m ；Q 為錨 桿抗拉 強度，一般取 520 M Pa；K 為錨桿安全系數(shù) ，一般取1.5 2．0，因為鋼筋的直徑取得較大，K 取 1.5； 為巖石的體積力，由實驗確定為 26.0 kN／m ； 為巷道頂板巖體破碎帶厚度 ，m 。經(jīng)計算，錨桿間排距為 1.2 m，結(jié)合現(xiàn)場底板條件并考慮一定的安全系數(shù)，暫取 a=0.8 m

2．1．4 錨桿錨固方式錨桿采用加長錨固方式 ，其中頂板錨桿采用3 支規(guī)格為CK 2360 快速樹脂藥卷 ，兩幫采用 1 支規(guī)格為 CK2360 快速樹脂藥卷，以此來保證錨固的質(zhì)量。

2．1．5 金屬 網(wǎng)及鋼筋梯子梁 的使用

　　金屬網(wǎng) ：頂板 采 用鋼 絲經(jīng) 緯 網(wǎng) ，長 ×寬 =4 100 m m x l 100 m m ，搭接 長度為 100 m m ，網(wǎng)孔

50 m m x50 m m ；兩幫網(wǎng)采用鋼絲經(jīng)緯網(wǎng)或鋼笆網(wǎng)，長×寬=2 400 m m x l 100 m m ，搭接長度為 100 m m 。在巷道頂板和兩幫采用鋼筋梯子梁 ，頂板梯子梁長度為 4．1 m ，兩幫梯子梁長度為 2．4 m 。鋼筋梯一般采用“一 ”字形布置 ，頂板泥巖厚度較大且破碎時頂板采用“十”字形布置。

2．1．6 工字鋼棚

　　對于運輸順槽 ，考慮到頂板是軟弱、易變形的泥巖 ，且巷道斷面較大，故增加工字鋼棚加強支護。而軌道順槽則不需增加工字鋼棚加強支護，對于開切眼則要增加單體液壓支柱加強支護。

2．1．7 補強錨索參數(shù)的選擇

(1) 錨索 間距 的確定 ?？紤]懸 吊直接頂?shù)娜恐亓?，錨索的懸吊力 Q 計算式為：Q =Sya式中，0 為錨索間距，m m ；S 為冒落拱面積，假定直接頂全部冒落，取直接頂厚度 1．8 m ，則冒落拱面積為 7．8 m ； 為巖石的容重 ，取 25 kN ／cm 。。經(jīng)計算 ，Q = 195 Ⅱ選擇錨索直徑為 1524 mm ，破斷力P 為 300 kN的鋼絞線 ，應(yīng)滿足 ：

P ≥Q由 P ≥Q 可求得 0≤1 583 m m則取錨索間距 a= l 500 m m錨索長度計算式為：L 3= 1+ 6十 2

式 中， ，為錨索長度 ，m ；L 。為錨索外露長度 ，取0．3 m ；L：為錨索錨固長度 ，使用 CK2360 型錨

固劑 2 卷 。經(jīng)計算，錨索長度為 6 500 mm 。為加強支護 ，設(shè)計每 3 排錨桿布置 l根錨索，錨索布置在頂板中間，外露 300 m m 。錨索采用2 支 CK2360 的快速樹脂藥卷錨固，錨索的預(yù)拉力為 100 kN 。

2．1．8 工作面切 眼的支護

　　考慮到切眼 的斷面是寬×高=6 500 mm ×2 200 m m ，斷面 比較 大 ，所 以采用二次成巷 的施

工方法。先開掘?qū)挕粮?3 500 m m x2 200 m m 的導(dǎo)硐 ，然后再擴成所要求的斷面。

2．2 錨桿支護初步設(shè)計方案

　　以軌道平巷為例，巷道錨桿支護示意圖如圖1所示，具體參數(shù)如下：巷道頂板 ：選用 6 根  22 ×2 200 m m 螺紋鋼錨桿。頂板錨桿間距為 800 m m ，中間 4 根錨桿垂直頂板布置 ，靠邊錨桿傾斜布置，角度為 25。。兩幫：各選用 2 根 20 ×1 800 mm 螺紋鋼錨桿，上部 1根錨桿布置角度為 25。，下部 1根錨桿垂直煤幫布置。

3 支護方案圍巖控制效果的數(shù)值模擬采礦過程 中圍巖活動規(guī)律及巷道圍巖穩(wěn)定性問題涉及到巖體力學(xué)特性、圍巖壓力、支護圍巖相互作用關(guān)系及巷道與工作 面的時空關(guān)系等一系列復(fù)雜的力學(xué)問題。模擬采用 FLAC 數(shù)值計算軟件進行模擬分析。FLAC 是一種功能強大的模擬土壤、巖石和結(jié)構(gòu)行為的二維顯函數(shù)程序，主要模擬連續(xù)材料的力學(xué)行為 ，是基于有限差分法 的快速拉格朗 日分析 ，是采礦工程、土工技術(shù)或 民用工程的通用分析和設(shè)計工具E2]。

3．1  模型 的建立及參數(shù)選取根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)狀況，結(jié)合模擬的目的，建立的數(shù)值分析模型如圖2 所示。

圖 2 數(shù)值模擬的物理模型需要模擬的巷道尺寸為 4 100 m m ×2 600 m m的矩形巷道 ，巷道沿 2 煤層底板掘進。根據(jù)實驗室?guī)r石的抗壓力學(xué)試驗，得到巷道圍巖的體積模量和剪切模量 ；根據(jù)巖石抗剪試驗得到試樣 的內(nèi)摩擦角和粘聚力 ；由巖石抗拉試驗得到巖石試樣 的抗拉強度。最終得到巷道圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表 1 所示。

3．2 模擬結(jié)果分析

3．2．1 應(yīng)力場計算分析

　　模擬結(jié)果顯示 ，巷道頂?shù)撞考皟蓭?方 向應(yīng)力達到 5～8 M Pa，4 個角點有應(yīng)力集中帶，面積不大。Y 方向沒有出現(xiàn)應(yīng)力集 中現(xiàn)象 ，兩幫應(yīng)力為 6 M Pa，頂板壓力 4 M Pa 左右。巷道 圍巖受到剪屈服情況的巖石大多出現(xiàn)在巷道巖體邊角處，并且巷道圍巖的受剪屈服范圍較小，底部巖體受拉屈服區(qū)域較前明顯縮小，底鼓量得到了明顯 的減小。因此可看出，巷道 圍巖大部分處于彈性狀態(tài) ，巖體性能較好 ，圍巖和錨桿共 同組成 的支護系發(fā)揮了很好的效果 ，是支護成功的關(guān)鍵 。

3．2．2 位移量的計算分析

在支護條件下 ，掘進期間巷道表面位移情況如 圖3 所示 。

　　從模擬的結(jié)果可以看 出，在巷道采掘開始階段巷道 圍巖變形較快 ，后逐漸穩(wěn)定下來。頂板最大下沉量達 29．1 m m ，底鼓量約為 16 m m ，左右兩幫靠上 (直接頂泥巖 )各移 近量約 16．8 m m ，左 右兩幫靠下(煤層)各移近量達 23．7 m m 。通過數(shù)值模擬可以看 出，當錨桿間距 800 m m時 ，巷道 圍巖受力合理 ，變形量較小 ，說 明該支護方案科學(xué)合理。

4 結(jié) 論

　　根據(jù)某礦多年煤巷錨桿支護經(jīng)驗 ，結(jié)合該礦工作面地質(zhì)與生產(chǎn)技術(shù)條件 ，提出了巷道支護方案；采用 FLAC 數(shù)值模擬軟件，模擬計算分析了該支護方案下巷道圍巖應(yīng)力場分布特征和表面位移量，論證了采用提出的巷道支護方案時，巷道圍巖受力合理 ，變形量較小 ，說明該支護方案科學(xué)合理 ，能夠取得 良好的圍巖控制效果 。