武东亮

（山西乡宁焦煤集团元甲煤业有限公司，山西 乡宁 042100）

1 工程概况

山西乡宁焦煤集团台头矿3204工作面位于三采区2#煤层回风下山东北侧，工作面北邻三采区边界，南侧为三采区巷道，工作面布置位置如图1所示。工作面开采2#煤层，煤层厚度为1.68～3.65 m，平均厚度为2.70 m。煤层内部含有0～3层夹矸，煤层结构属于简单～复杂型，煤层直接顶为细砂岩，均厚3.0 m；基本顶为砂质泥岩，均厚为10.50 m；底板岩层为泥岩和砂质泥岩。

3204工作面回风顺槽沿2#煤层底板掘进，巷道断面为矩形，净宽×净高为4 500 mm×3 000 mm。根据矿井生产经验，巷道围岩采用锚网索支护，为确保锚杆支护效果，设计锚杆采用全长锚固方式进行支护。

图1 3204工作面平面位置

2 全长锚固影响因素

采用螺纹钢锚杆支护时主要考虑的参数包括锚固长度、预紧力及锚固区段的岩性[1-3]。根据3204工作面的地质资料可知，巷道顶板岩层赋存较为稳定，顶板锚杆均能锚固在细砂岩内，两帮锚杆锚固在煤体内，故此处不对锚杆锚固区域岩性进行分析。现采用FLAC3D数值模拟软件分别对锚固长度和预紧力对锚固效果的影响进行分析，模型长×宽×高为4 m×4 m×4 m，锚杆规格为ϕ22 mm×2 400 mm，锚杆设置在垂直与XZ的平面上，锚杆、锚固剂、顶底板岩层的物理力学参数如表1所示。

表1 数值模拟材料力学参数

根据众多锚杆全长锚固的相关研究结果，分析锚固长度对锚固效果的影响时，设置锚固长度分别为0.5 m、0.9 m、1.3 m、1.7 m和2.1 m进行模拟对比分析；分析预紧力对锚固效果的影响时，设置锚杆预紧力分别为20 kN、40 kN、60 kN、80 kN，具体数值模拟过程及结果如下：

1）锚固长度：在进行锚固长度对锚固效果的影响分析时，设置锚杆的预紧力为60 kN，根据数值模拟结果能够得出不同锚固长度下，锚杆轴向应力分布如图2所示。

图2 不同锚固长度下锚杆轴向应力分布云图

分析图2可知，锚杆在不同锚固长度下，锚杆上预紧力从锚固的始端向锚固尾部传递时呈现逐渐减小的传递规律，锚杆轴力的传递范围随着锚固长度的增大而不断增大。从图中能够看出，当锚固长度为0.5 m时，此时锚杆自由段轴力基本不变，且由锚固始端向锚固尾端逐渐递减；当锚固长度为0.9 m时，锚固轴力的变化趋势基本与锚固长度为0.5 m时相同；当锚固长度为1.3 m时，此时锚固端锚固力的扩散范围增大，但最大锚固力无明显变化；当锚固长度增大为1.7 m时，此时锚杆锚固端的最大轴力大幅增大，锚杆轴力较大的范围也不断增加，当锚杆锚固长度进一步增大为2.1 m时，此时锚固端的最大轴力与1.7 m时基本相同；基于锚杆支护时预紧力充分扩散的原则，最终确定锚杆锚固长度为1.7 m。

2）锚杆预紧力：在进行预紧力对锚固效果的影响分析时，分别设置锚杆采用同速锚固剂和采用快速+慢速锚固剂的对比分析[4-6]，根据模拟结果得出锚杆采用不同参数的锚固剂下，锚杆在不同预紧力下锚杆轴向应力变化曲线如图3所示。

图3 不同预紧力下锚杆轴向应力曲线

分析图3可知，锚杆在同速锚固剂和快速+慢速锚固剂的锚固方式下，锚杆预紧力变化在锚固段的传递规律相同，均表现为由锚固的始端向锚杆尾部传递时锚杆轴力在不断减小；从图中能够看出锚杆锚固剂采用快速+慢速的锚固方式时，其锚杆的轴力大于采用同速锚固剂，且锚杆间轴力的差值随着预紧力的增大而不断增大。因此，在充分考虑锚杆预紧力对围岩控制效果的前提下，确定巷道锚杆采用高预紧力支护，设置锚杆预紧力为80 kN。

3 支护方案及效果

3.1 支护方案

根据3204工作面回风顺槽的地质条件，结合锚杆锚固长度和预紧力对锚固效果的模拟分析结果，具体进行锚网索支护方案的设计如下：

（1）顶板支护：锚杆采用左旋螺纹钢锚杆，规格为ϕ20 mm×2 400 mm，间排距为800 mm×800 mm。锚杆锚固长度为1.7 m，采用1根CK2350+1根K2370型树脂锚固剂进行锚固作业。在进行锚固作业时，利用锚固剂的凝胶时间差，先放快速锚固剂，再放慢速锚固剂，在慢速锚固剂凝固前对锚杆施加预紧力，锚杆预紧力为80 kN。托盘采用调心球垫减摩垫圈，两顶角锚杆与顶板成15°布置，其余锚杆均垂直顶板布置。顶板锚索采用1×7股高强度低松弛钢绞线，规格为ϕ15.24 mm×6 500 mm，间排距为1 600 mm×1 600 mm。锚索采用3根K2370+2根CK2350型树脂锚固剂锚固，锚索垂直顶板布置，锚索预紧力为150 kN。顶板表面采用10#铁丝编制的金属网护表。

（2）两帮支护：锚杆采用左旋螺纹钢锚杆，规格为ϕ16 mm×1 800 mm，间排距为800 mm×800 mm。锚杆锚固剂使用型号和锚固方式与顶板锚杆相同，锚杆预紧力为80 kN。巷道两帮各布置4根锚杆，两帮底部锚杆在距底板300 mm处布置，底部锚杆与巷帮成布置15°，其余帮部3根锚杆均垂直巷帮布置。巷帮表面同样采用10#铁丝编制的金属网进行护表。

支护方案中，顶网和帮网应压茬连接，并在帮部每排锚杆与菱形金属网间加装一根锚梁，以此实现锚梁网索的联合支护[7-8]，具体巷道支护参数如图4所示。

图4 3204工作面回风顺槽支护布置

3.2 效果分析

为验证3204工作面回风顺槽采用锚杆全长锚固支护的效果，在3204工作面回采期间进行了围岩变形观测分析，观测结果如图5所示。

图5 工作面回采期间围岩变形曲线

分析图5可知，3204工作面回采期间，回风顺槽内顶底板和两帮的整体变形均不明显，其中：顶底板移近量的变化主要集中在测站与工作面间的距离小于50 m的区域，两帮变形主要集中在测站距工作面小于70 m的范围内；在测站与工作面的距离为40 m时，此时围岩受到采动压力影响最大；最终工作面回采至测站位置处时，顶板下沉量的最大值为25 mm，顶底板移近量为40 mm，回采帮的变形量为66 mm，两帮变形量的最大值为91 mm，围岩整体变形量较小，满足回采巷道的使用要求。

4 结语

根据3204工作面的地质条件，通过数值模拟，分析全长锚固支护中锚固长度和预紧力对锚固效果的影响。基于模拟结果确定锚杆锚固长度为1.7 m，预紧力为80 kN，锚杆采用全长锚固。根据3204工作面回风顺槽的断面特征，具体进行巷道锚网索支护方案的设计，并对锚杆的全长锚固方式进行设计。通过工作面回采期间的围岩变形监测可知，巷道在该支护方案下，围岩变形量满足使用要求。