薄煤層工作面回采巷道圍巖錨桿支護技術研究

1   工作面巷道布置概況

　　某煤礦工作面位于六采 區北部 ，正南北走 向，兩區段平巷均沿 2 煤挑頂破底布置 ，兩區段平巷外段均布置聯絡巷與六采區北部軌道上 山、回風上山連接；工作面上區段平巷為工作面軌道平巷 ，靠工作面回采側布置移動電站；下區段平巷為工作面運輸平巷，靠工作面回采側布置膠帶輸送機；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北部邊界附近 ，工作面設計停采線距北部皮帶上山40 m 。

工作面兩區段平巷均為實體巷道，正南北向平行布置，矩形斷面，錨網支護。根據綜采設備安裝 、運輸 、生產檢修及施工的要求 ，兩 區段平巷設計凈 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。～O～32。，傾向為45。～90。～122。，煤層傾角 3。～19。，平均 7。。低洼處易積水 ，對 回采有一定影響?。

　　該工作面內小斷層發育，巷道掘進過程中共揭露 43 條斷層 ，斷層 向面內延伸長度不詳 。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   區段平巷錨桿支護參數

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 ，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 。經計算，錨桿間排距為 1.2 m，結合現場底板條件并考慮一定的安全系數，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 支規格為CK 2360 快速樹脂藥卷 ，兩幫采用 1 支規格為 CK2360 快速樹脂藥卷，以此來保證錨固的質量。

2．1．5 金屬 網及鋼筋梯子梁 的使用

　　金屬網 ：頂板 采 用鋼 絲經 緯 網 ，長 ×寬 =4 100 m m x l 100 m m ，搭接 長度為 100 m m ，網孔

50 m m x50 m m ；兩幫網采用鋼絲經緯網或鋼笆網，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 補強錨索參數的選擇

(1) 錨索 間距 的確定 。考慮懸 吊直接頂的全部重量 ，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 。經計算，錨索長度為 6 500 mm 。為加強支護 ，設計每 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。先開掘寬×高=3 500 m m x2 200 m m 的導硐 ，然后再擴成所要求的斷面。

2．2 錨桿支護初步設計方案

　　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值模擬采礦過程 中圍巖活動規律及巷道圍巖穩定性問題涉及到巖體力學特性、圍巖壓力、支護圍巖相互作用關系及巷道與工作 面的時空關系等一系列復雜的力學問題。模擬采用 FLAC 數值計算軟件進行模擬分析。FLAC 是一種功能強大的模擬土壤、巖石和結構行為的二維顯函數程序，主要模擬連續材料的力學行為 ，是基于有限差分法 的快速拉格朗 日分析 ，是采礦工程、土工技術或 民用工程的通用分析和設計工具E2]。

3．1   模型 的建立及參數選取根據現場的地質狀況，結合模擬的目的，建立的數值分析模型如圖2 所示。

圖 2 數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。根據實驗室巖石的抗壓力學試驗，得到巷道圍巖的體積模量和剪切模量 ；根據巖石抗剪試驗得到試樣 的內摩擦角和粘聚力 ；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參數如表 1 所示。

3．2 模擬結果分析

3．2．1 應力場計算分析

　　模擬結果顯示 ，巷道頂底部及兩幫 方 向應力達到 5～8 M Pa，4 個角點有應力集中帶，面積不大。Y 方向沒有出現應力集 中現象 ，兩幫應力為 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 ，巖體性能較好 ，圍巖和錨桿共 同組成 的支護系發揮了很好的效果 ，是支護成功的關鍵 。

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 明該支護方案科學合理。

4 結 論

　　根據某礦多年煤巷錨桿支護經驗 ，結合該礦工作面地質與生產技術條件 ，提出了巷道支護方案；采用 FLAC 數值模擬軟件，模擬計算分析了該支護方案下巷道圍巖應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合理 ，能夠取得 良好的圍巖控制效果 。