苏 锋

（晋能控股煤业集团晋圣永安宏泰煤业有限公司，山西 沁水 048205）

1 工程概况

永安宏泰煤业有限公司2301 工作面位于二采区，工作面开采3#煤层，煤层厚6.10～6.80 m，平均厚6.34 m，夹0～2 层矸石。煤层结构简单，全区稳定可采。3#煤层埋深在200～420 m 之间，平均310 m。3#煤层直接顶板多为黑色粉砂岩或细粒砂岩，一般厚5.32 m。3#煤层的顶底板情况见表1。2301胶带进风顺槽沿3#煤底板掘进，巷道设计掘进长度345 m，断面尺寸为净宽5 m×净高3 m，巷道拟采用锚网索支护，现进行巷道合理锚网索支护参数的分析。

表1 3#煤层顶底板岩层赋存特征表

2 锚杆支护参数分析

巷道采用锚杆支护时，由于锚杆支护参数多，并且各参数存在相互影响、互相匹配的协调关系，因此，单纯依靠某一个理论和公式进行计算是不科学的[1-3]。

（1）锚杆长度。为分析锚杆支护长度对巷道围岩控制效果的影响，采用FLAC3D数值模拟软件分别对锚杆长度为1.0 m、1.5 m、2.1 m 和2.4 m 时的围岩变形特征模拟分析，并能够根据模拟结果得出不同锚杆长度下顶板下部2.5 m 范围内岩层增加的强度曲线如图1。从图中能够看出，锚杆长度过短时，锚固体强度低，无法充分保障顶板稳定；随着锚杆长度的增大，顶板下部2.5 m 范围内岩层增加的强度逐渐增大；但当锚杆长度增大到2.4 m 以后，进一步增大锚杆长度时，顶板岩层内的强度不再增大，即表明锚杆在该区域岩层内的锚固强度也不再增大。

图1 锚杆长度对岩层加固效果的影响

另外为有效分析不同长度锚杆在巷道围岩支护中预应力的扩散效果，通过数值模拟分别对长度为1.6 m、2.0 m、2.4 m、2.6 m 和3.0 m 的锚杆预应力扩散效果进行模拟分析，模拟结果如图2。

图2 不同锚杆长度的预应力场分布

分析图2可知，当锚杆预应力不变时，锚杆越长，预应力的作用越不明显。根据上述数值模拟结果，考虑到巷道围岩在掘出后其会有一定深度的塑性区发育，结合众多锚杆支护的相关研究成果，最终确定锚杆的合理长度应在2～2.4 m。

（2）锚杆密度。锚杆密度为锚杆间排距的整体体现。通过数值模拟对锚杆密度分别为0.5、0.6、0.8、1.0 和1.2 根/m2时巷道围岩位移情况进行模拟分析，基于模拟结果能够得出锚杆密度与顶板下沉量间的关系曲线如图3。

图3 锚杆密度与顶板下沉的关系图

分析图3 可知，巷道顶板位移量随着锚杆密度的增大而逐渐降低。从图中能够看出锚杆密度大于0.8 后，随着锚杆密度的增大，顶板位移量的降低幅度较小，仅出现小幅的降低，即此时锚杆密度的增大对顶板下沉量基本无影响。进一步结合锚杆支护时应遵循的低密度、匹配原则（预应力、长度和强度），结合2301 胶带进风巷的地质条件，确定巷道锚杆合理间排距为900～1100 mm。

（3）金属网参数。根据我国目前巷道支护中金属网的应用情况可知，常用的金属网有三种，分别为钢筋网、经纬网和菱形网。现为准确分析三种金属网对巷道表面护表效果的差异，特采用ANSYS数值模拟软件对三种网在巷道支护中受力状态进行模拟分析，模拟结果如图4。

图4 金属网变形破坏数值模拟图

通过分析图4 可知，钢筋网所能提供的最大护表强度为0.1 MPa，经纬网所能提供的最大护表强度为0.02 MPa，菱形网所能提供的最大护表强度为0.024 MPa。据此可知钢筋网的护表强度最大，其护表强度分别为经纬网和菱形网的5 倍和4.2 倍。

巷道护表金属网选择时，应遵循以下原则：（1）金属网应具有一定的刚度和强度，需能防止煤岩块掉落，具有一定的支护强度；（2）需要喷浆的巷道，金属网选择时应满足喷浆使用要求；（3）金属网应能有利于施工[4-6]。综合数值模拟结果，结合金属网选择原则和巷道具体地质条件，考虑到巷道顶板岩层强度相对较大，岩层较为完整，最终确定巷道采用菱形网进行护表。

3 支护方案及效果

3.1 支护方案

（1）顶板支护。锚杆采用Φ22 mm×2400 mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1000 mm，锚杆均垂直顶板打设，采用树脂加长锚固，预紧力矩为300～400 N·m，锚杆间采用钢筋梯子梁进行连接，梯子梁规格为Φ16-4800-100-6 mm，顶板铺设菱形金属网，网片规格为5400 mm×1200 mm，网孔规格为50 mm×50 mm。顶板锚索采用Φ21.8 mm×7300 mm 的1×19 股钢绞线编捻，采用2-0-2布置，间排距为1800 mm×2000 mm，锚索均垂直顶板布置，采用端部锚固，锚固长度1971 mm，锚索预紧力≥250 kN。

（2）非回采侧帮。锚杆采用Φ22 mm×2000 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为1000 mm×1000 mm，每排布置3根锚杆，均垂直巷帮布置，锚杆预紧力矩300～400 N·m，锚固方式采用两支树脂锚固剂加长锚固，采用规格为280 mm×400 mm×4 mm 的W 钢护板连接锚杆，采用菱形网护帮，网孔规格为50 mm×50 mm，网片规格为3100 mm×1200 mm，网片搭接长度为100 mm。

（3）回采侧帮。锚杆采用Φ18 mm×2000 mm圆钢锚杆，间排距为1000 mm×1000 mm，每排3根锚杆，锚杆起锚高度700 mm，帮顶角锚杆距顶板400 mm，锚杆均垂直巷帮煤体打设，锚杆预紧力矩200 N·m，锚固方式采用一支树脂锚固剂加长锚固，护帮方式同非回采侧帮。

具体2301 胶带进风顺槽支护断面图如图5。

图5 2301 工作面胶带巷支护布置图（mm）

3.2 效果分析

2301 胶带进风顺槽掘进期间，采用十字布点法进行围岩变形监测，分析得出围岩最大变形量仅为50 mm。2301 工作面回采期间，在超前工作面100 m 处设置测点，随着工作面回采作业的进行，监测断面持续进行围岩变形情况的监测分析，直至工作面回采至监测断面位置处。根据监测记录数据绘制得出围岩变形情况与距工作面距离间的关系曲线，如图6。

分析图6 可知，工作面回采动压影响下，巷道围岩变形速率较大，仅在超前工作面40 m 范围内，该区域为超前支承压力的影响区域，测站与工作面间距离大于40 m 时，围岩变形速率较小。从图中能够看出工作面回采期间，两帮和顶底板最大移近量分别为320 mm 和215 mm。

图6 2301 工作面回采期间围岩变形曲线图

4 结论

根据2301 工作面的地质条件，通过理论分析和数值模拟结合的方式对锚杆支护参数中的锚杆长度、锚杆密度和金属网参数分别进行模拟分析，基于模拟结果给出合理的支护参数范围，结合锚杆支护参数的分析结果进行锚网索具体参数设计。根据围岩变形数据分析可知，巷道在现有支护下围岩处于稳定状态。