薛 强

(山西潞安工程有限公司，山西 长治 046031)

为了提高巷道掘进速度，降低巷道支护成本，在确保巷道支护稳定、生产安全的前提下，根据煤层所赋地质条件、已有支护条件、巷道功能等对巷道支护进行分段优化设计，是目前巷道支护领域研究的一个重要课题。根据本文所选研究对象，某矿15203工作面数值模拟结果分析，在煤柱宽度确定的情况下，影响巷道支护效果的因素主要为煤层埋深和地质构造应力。其中，煤层埋深越大，巷道围岩变形越大，所需的巷道支护强度就越大；构造应力的侧压系数与巷道围岩的变形量呈正比，因此需加大该区域的支护强度。

1 工作面概况

15203工作面位于某矿二采区东部，主采太原组15号煤层，煤层均厚4.4 m，煤层倾角2～8°，工作面标高938～944 m，对应地面标高1 078～1 181 m，工作面煤层埋深100～300 m。工作面东西巷道沿煤层顶板掘进，根据相邻工作面采掘过程中地质构造揭露情况推测，在掘进过程中可能会揭露F18和F12断层延伸段，除此之外，工作面可能还存在其他陷落柱、小断层等隐伏地质构造以及其他异常情况。根据已有资料论证及15203工作面数值模拟分析得出：①工作面留设煤柱宽度确定为15 m；②决定以巷道埋深为基础对工作面进行分段支护设计，本文选择了埋深为100～200 m、200～300 m两个巷道支护分段；③除此之外，在巷道掘进过程中可能遇见地质构造等异常情况，应当加强巷道支护强度或进行补强支护。

2 锚杆支护参数对预应力场的影响

锚杆支护参数主要包括锚杆预紧力、锚杆长度、锚杆间排距、打设锚杆角度、锚固方式等，锚杆支护参数的正确选择，对巷道围岩的稳定性，降低巷道支护成本以及提高巷道掘进速度等具有重要意义。

1) 预紧力是锚杆支护体系中起到主动应力支护的关键参数，对锚杆支护体系的稳定性和作用力起着决定性的作用。随着锚杆预紧力的不断增加，形成了预应力场值会不断增加，锚杆预紧力的扩散作用愈发明显，不同锚杆间所形成的应力场相互叠加覆盖，作用力范围不断扩散，逐渐形成对巷道顶板有效的支护结构。

2) 锚杆长度对预应力场的影响。随着锚杆长度的增加，预应力场中压实力区的范围和厚度也随之增大，但上部压实力区应力作用降低，相邻锚杆间形成的中部围岩应力作用减小。而在预应力作用不变的条件下，锚杆越长，这种现象会越明显，但在此情况下可以通过提高预紧力来增强锚杆应力作用的扩散范围。

3) 锚杆的间排距对预应力场的影响。间排距越小，锚杆支护形成的应力场叠加区域越大，虽然形成了巷道空间上的支护结构，但限制了锚杆预应力的扩散，锚杆支护的实际作用不能充分发挥。所以，应当选择合理的锚杆间排距，使锚杆支护作用充分发挥。

4) 锚杆角度对应力场的分布具有重要影响，随着锚杆打设角度的逐渐增大，锚杆间的应力场叠加区域会不断减少，相互之间产生的应力作用会逐渐降低直至孤立，不能有效形成整体支护结构。

5) 不同锚固方式对预应力场的分布具有不同影响。全长锚固时锚杆的预应力作用范围和有效预应力的厚度较小，且产生应力集中。 端头锚固虽然能够形成较厚的有效压实力区，但锚杆中部压实力较小。加长锚固兼备了上述两种锚固方式的特点，在借助不同固话速度的锚固剂搭配作用，可以形成有效的支护结构。

3 不同应力段巷道支护方案设计

本文中以15203工作面西巷道为工程背景进行支护方案设计，该巷道设计断面为矩形断面，沿煤层顶板掘进，巷道断面设计为5.0 m×4.0 m，采用锚网支护。通过锚杆支护参数理论计算，并根据现场施工条件及现有支护材料，得出巷道顶板锚杆直径取值为20 mm，锚杆长度取值2.4 m，锚杆间排距均为1.1 m，锚固剂选取树脂锚固剂MSK2335和MSZ2360各一支，锚固剂总长度0.95 m，锚索长度为6.3 m，锚索排距2.2 m，所需锚索用锚固剂长度为1.43 m，选取一支MSK2335和两支MSZ2360树脂锚固剂。

3.1 200～300 m埋深段锚杆支护设计

1) 顶板支护，见图1。锚杆采用采用MSGLW-400钢材，杆体为D20 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2 400 mm，杆尾螺纹为M22 mm。锚杆支护设计每排5根锚杆，锚杆排距1 100 mm，锚杆间距1 100 mm，距顶角300 mm布置，锚杆全部垂直顶板打设(考虑到施工需要，允许5°误差)。锚杆预紧力矩选择范围300～400 N·m，锚杆安装完毕后半小时内预紧结束。树脂加长锚固，钻孔直径D28 mm，理论锚固长度1 311 mm，锚固力不低于125 kN。150 mm×150 mm×10 mm的高强度拱形托盘，配套使用调心球垫和尼龙垫片。锚索排距2 200 mm，隔排打设2根锚索，间距2 200 mm，距顶角1 400 mm，锚索直径17.8 mm，长度6 300 mm，300 mm×300 mm×14 mm的高强度拱形托盘，配套使用调心球垫，要求托盘承载力大于355 kN。锚索锚固钻孔直径为28 mm，理论锚固长度1 755 mm，预紧力锁定损失后不小于200 kN。顶板采用12号菱形铁丝网进行护表，规格尺寸5 100 mm×1 300 mm，网格尺寸为50 mm×50 mm，铺网时应拉紧压实，搭接长度为100 mm，搭接处用16号双股铁丝以三花扣方式搭接，联点间距≤200 mm。

2) 巷帮支护，见图1。锚杆采用MSGLW-400钢材，杆体为D20 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度1 800 mm，杆尾螺纹为M22。锚杆布置采用锚杆排距1 100 mm，每排4根锚杆，锚杆间距1 100 mm，底部锚杆距底角400 mm，顶部锚杆距顶角300 mm，锚杆全部垂直巷帮打设(考虑到施工需要，允许5°误差)。锚杆预紧力矩选择范围300～400 N·m，锚固方式采用树脂加长锚固，钻孔直径D28 mm，理论锚固长度为826 mm，锚固力不小于125 kN。锚杆托盘采用150 mm×150 mm×10 mm的高强度拱形托盘，配套使用调心球垫和尼龙垫片。护表构件规格尺寸3 300 m×1 300 m，其他参数同上。

图1 200～300 m埋深段锚杆锚索支护示意(mm)

3.2 100～200 m埋深段锚杆支护设计

该段埋深较浅，巷道围岩应力作用较小，可以适当弱化支护强度，具体锚(索)网支护参数，见图2。

1) 顶板支护。锚杆采用MSGLW-400钢材，杆体为D20 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2 400 mm，杆尾螺纹为M22 mm。锚杆布置采用每排5根锚杆，锚杆排距1 200 mm，锚杆间距1 200 mm，距顶角100 mm布置，锚杆全部垂直顶板打设(考虑到施工需要，允许5°误差)，锚杆预紧力矩选择范围300～400 N·m，锚固方式选择树脂加长锚固，钻孔直径D28 mm，理论锚固长度1 311 mm，锚固力不低于125 kN。锚杆托盘150 mm×150 mm×10 mm的高强度拱形托盘，配套使用调心球垫和尼龙垫片。锚索布置选择锚索排距2 400 mm，沿巷道中央隔排打设1根锚索，锚索直径17.8 mm，长度6 300 mm，锚索托盘采用300 mm×300 mm×14 mm的高强度拱形托盘，配套使用调心球垫，要求托盘承载力大于355 kN，锚索锚固方式采用树脂端头锚固，采用三支锚固剂，一支MSK2335，两支MSZ2360，钻孔直径为28 mm，理论锚固长度1 755 mm，预紧力锁定损失后不小于200 kN。

2) 巷帮支护。锚杆采用MSGLW-400钢材，杆体为D20 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度1 800 mm，杆尾螺纹为M22。锚杆布置为锚杆排距1 200 mm，每排4根锚杆，锚杆间距1 100 mm，底部锚杆距底角400 mm，顶部锚杆距顶角300 mm，锚杆全部垂直巷帮打设(考虑到施工需要，允许5°误差)，锚杆预紧力矩选择范围300～400 N·m，锚固方式采用树脂加长锚固，采用一支树脂锚固剂，规格为MSZ2360。钻孔直径D28 mm，理论锚固长度为826 mm，锚固力不小于125 kN。锚杆托盘规格：150 mm×150 mm×10 mm的高强度拱形托盘，配套使用调心球垫和尼龙垫片。

图2 100～200 m埋深段锚杆锚索支护示意(mm)

3.3 地质异常段巷道支护设计

在现场施工过程中，若遇巷道顶板破碎、局部存在黄泥裂隙等地质异常区域，巷道顶板锚杆及锚索均无法有效锚固，则需采用锚网索+工字钢棚支护方式对巷道围岩进行加强支护，棚距正常取值800 mm。对冒顶、过空、顶板压力显现地段可缩小棚距或采用排架密集支护，见图3。

1) 巷道架棚支护参数。采用梯形断面，沿15号煤层顶板掘进，上掘宽为4.90 m，下掘宽为5.90 m，掘高为4.10 m，断面为22.14 m2，上净宽为4.46 m，下净宽为5.57 m，净高为3.91 m，断面为19.61 m2。梯形棚顶梁长4 806 mm，棚腿长4 200 mm，在顶梁与棚腿搭接处焊接挡块，梯形棚采用12号工字钢，棚距800 mm。巷道两帮采用木背板背实，背板长900 mm、宽100 cm、厚50 m，平铺在工字钢梁上。棚架联锁采用采用D20 mm的圆钢制作的拉杆，拉杆两端呈90°弯曲50 mm，对棚架进行连锁，使棚架形成一体。

2) 巷道锚网索支护参数。顶板锚杆采用D20 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2 400 mm，钻孔深度2 350 mm；锚杆间排距为1 100 mm×800 mm，每排5根锚杆，锚索采用“二二”布置，锚索规格：杆体为D17.8 mm的7股钢绞线，长度6 300 mm，钻孔深度6 100 mm，间排距为2 200 mm×600 mm。

图3 地质异常段锚网索+工字钢棚支护示意(mm)

4 结 语

为了保证巷道支护强度以及巷道围岩的稳定性，施工前应当对锚杆锚固力进行抽检，发现不合格锚杆，应当进行锚杆补打。在施工过程中应当严格按照设计要求，保证施工质量，定期进行巷道内锚杆锚固力拉拔试验，如发现锚杆实际锚固力与设计相差较大，必须调整锚固参数。在掘进过程中形成的巷帮超宽或片帮超宽情况，应及时补打单体锚杆+W钢护板进行补强，遇见巷道地质条件发生变化，应当根据实际情况调整支护参数。除此之外，应当加强锚杆索受力及巷道围岩变化的动态监测，保证巷道的安全稳定。