朱 毅

（晋能控股煤业集团同发东周窑矿， 山西 大同 037100）

引言

锚杆支护技术属于煤矿巷道支护设计中的一项重要技术[1]，合理的支护方案不仅能够充分发挥出锚杆支护的优越性，还能够保证巷道的安全[2]。目前，绝大多数煤矿巷道基本都采用锚杆支护，而锚杆支护设计方案大多采用工程类比法[3]，由于煤矿地质的不同及难以及时探明岩层顶板的岩性以及岩层结构，使支护设计不能及时更新[4]，且设计的方案强度不够，还可能造成冒顶事故、巷道过早被破坏、服务期限短等问题；如果支护强度过剩，则会浪费资源，使掘进效率降低[5]。锚杆支护机理是利用依靠围岩自身力量来承受压力，使周围岩石的强度增强，并通过岩层本身力量和保护区作用，产生完整的一个承重体[6]，使锚固区的岩体能够承受更大的压力，使围岩的受力参数发生改变，进而提升围岩的复原力，这就形成了锚网索、猫网索喷、锚喷等支护技术[7-8]，让围岩和支护体作为一个整体来承受地压，因此，锚杆支护主要有以下四种理论：悬吊理论、组合梁理论、复合拱理论以及最大水平应力理论[9-10]。本文以某矿为研究对象，在原巷道支护基础上，又提出两种不同优化方案，对比确定巷道的最佳支护方案，进而降低巷道支护成本，实现断面巷道的快速掘进和矿井生产的高效。

1 巷道快速掘进不同支护方案的设计分析

本文以某矿为对象，基于该矿的煤层地质条件复杂、支护难度大的实际情况，在原锚杆支护方案设计基础上，又提出两种相对更优的锚杆支护方案。三种不同支护方案设计如下：

1.1 原巷道锚杆支护方案

顶板支护：顶锚杆采用三花眼布置锚杆，规格为Φ22 mm×2 400 mm 的无纵筋左旋螺纹钢，锚杆间排距900 mm、1 000 mm，采用Z2360 和K2335 的树脂药卷，预紧力大于150 N·m，锚固力大于6 t；顶板锚索三二三布置，且规格为Φ17.8 mm×8 300 mm，顶板角锚杆和角锚索的角度大于75°。此外铺设金属网，其规格是2 000 mm、1 000 mm，网格由100 mm×100 mm的Φ6 mm 冷拔钢筋制作而成，并搭配W 型钢带，其规格是4 700 mm×160 mm×3 mm。另外，巷道两上肩窝处补打锚杆，其规格同于顶锚杆。图1 为巷道原顶锚杆支护断面图。

图1 巷道原顶锚杆支护断面图

左帮支护：选用玻璃钢锚杆和塑料网联合支护形式，其中，玻璃钢锚杆采用右旋螺纹树脂锚杆，其规格是Φ20 mm×2 200 mm，锚杆间排距是1 200 mm、1 000 mm，三花眼布置锚杆，选用树脂药卷Z2360 的锚固锚杆，锚固长度大于600 mm，锚固力大于70 kN。此外，搭配塑料网，其规格是2 000 mm、1 000 mm，网格规格是50 mm×50 mm。

右帮支护：选用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格是Φ22 mm×2 400 mm，锚杆间排距是1 200 mm、1 000 mm，选用Z2360 和K2335 的树脂药卷，锚固长度大于1 200 mm，预紧力大于150 N·m，三花眼布置锚杆。此外，搭配金属网，规格是2 000 mm、1 000 mm，网格规格是100 mm×100 mm 的Φ6 mm 冷拔钢筋制作而成。图2 为巷道原两帮锚杆支护示意图。

图2 巷道原两帮锚杆支护断面图

1.2 优化方案1

顶板支护：将顶板两肩窝处补打的锚杆进行去掉，其余参数同于原方案。

两帮支护：左右两帮锚杆都采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其规格是Φ22 mm×2 400 mm，锚杆间排距不变，且每间隔两排，一根锚索替代上帮处一根锚杆，其规格是Φ15.24 mm×5 000 mm，其余参数不变。方案1 的巷道顶板和两帮支护断面图如图2 所示。

图2 优化方案1 巷道支护断面图

1.3 优化方案2

顶板支护：顶板锚索支护由原方案中的“三二三”支护形式改为“二二”支护，排距是1.5 m，采用交替支护形式，一排位于垂直距离1.5 m 钢带两端，也就是巷道上顶角处，且和垂直方向成30°；一排位于两钢带间。图3 为优化方案2 顶板支护断面图。

图3 优化方案2 顶板支护断面图

两帮支护：两帮每排增加一根锚杆，其强度同于原方案中左右两帮锚杆的强度，锚杆间排距是1 m、1 m。图4 为优化方案2 两帮支护断面图。

图4 方案2 两帮支护断面图

2 不同支护方案的效果分析对比

通过对原支护方案以及优化方案1 和2 进行围岩稳定性分析，得到表1 所示的结果。

表1 设备优化结果对比 s

表1 不同巷道支护方案下围岩的稳定性结果

优化方案1 相比于原方案，顶板将肩窝处的锚杆去掉，两帮锚杆更换为左旋无纵筋螺纹锚杆，且每间隔两排由一根锚索代替上帮一根锚杆外，其余支护形式一样，模拟结果表明，只有两帮位移量变化比较明显，顶板最大位移量几乎无变化，顶板和两帮塑性区深度变化较小，锚杆和锚索最大轴力不同，特别是锚索最大受力变化显著。对比可知，肩窝处不补打锚杆，巷道支护效果不好，需加强帮部支护。

优化方案2 相比于原方案，去掉顶板肩窝处的锚杆，锚索替换钢带内的锚杆，即每排减少3 根锚杆，每6 排增加1 根锚索。因此，方案2 相比于原方案，多了66 根锚杆和7 根锚索。依据一根锚杆和锚索分别用时5.7 min 和16.2 min 计算，且帮处锚杆的施工要比顶锚杆快，因此，单打锚杆就可提高效率15%。此外，对比原方案，两帮最大位移量减小15.6%，两帮塑性区深度减小2.03%。

优化方案2 相比于方案1，顶板支护每6 排少用4 根锚杆，多用1 根锚索，按照上述锚杆和锚索用时计算，从顶板支护时间和费用上来看，方案2 更优。此外，优化方案中，顶板位移量变化量相差不大，但是两帮最大位移量、顶板和两帮塑性区以及锚杆锚索轴力中，方案2 均优于方案1。

3 结论

1）原支护方案下，围岩最大位移量是45.4 mm，顶板及两帮破坏深度分别是0.93 m 和4.43 m；锚杆和锚索最大轴力分别是186.8 kN 和213.8 kN。

2）最优方案2 下，围岩最大位移量是45.6 mm，顶板及两帮破坏深度分别是0.94 m 和4.34 m；锚杆和锚索最大轴力是178.3 kN 和209.1 kN。

3）通过对巷道优化后，能够满足巷道支护要求，降低巷道支护成本，利于断面巷道的快速掘进和矿井生产的高效。