1、復雜條件下的煤巷錨、網、梁支護李國臣 張希平 李明國 劉寶昌 崔建忠肥城礦業(集團)公司 曹莊煤礦摘 要 介紹在近距離、采空區下、破碎復合頂板的煤巷中使用錨、網、梁支護技術，與傳統支護形式相比取得了較好的技術經濟效益，為復雜條件下煤巷實現錨、網、梁支護提供了可靠的依據，可供在相似的條件下推廣使用。關鍵詞 近距離 采空區 破碎復合頂板 錨、網、梁支護曹莊井田位于肥城煤田的東部，于1965年元月份投產，設計年生產能力60萬t，2004年核定年生產能力130萬t，尚可服務年限23.26年。礦井開拓方式為立井、多水平、主要貫穿石門、采區上下山開拓。分三個水平開拓，即-120m水平（已結束）、-280m

2、水平（正在生產）、-480m水平（正在開拓）。井田內含煤地層為石炭二疊紀的山西組與太原組，主要可采煤層有六層，目前主采山西組的3層煤和太原組的7、8、9、10-2層煤，采深已達605.8m。本井田為水文地質條件極復雜的大水礦井，太原組的7、8、9、102層煤回采時，受煤底部五灰、奧灰承壓巖溶水的嚴重威脅。隨著礦井開采深度的增加，礦壓顯現越來越突出。尤其是102煤回采工作面巷道，因薄層煤巖復合頂板極易破碎，支架壓力大，變形嚴重，維護極為困難，已嚴重威脅安全生產。102煤巷道一直使用11#工字鋼梯形棚支護，從未采用過錨桿支護。為了改善巷道維護狀況，變被動支護為主動支護，提高巷道掘進速度和效率，為工

3、作面的高產高效創造條件，迫切需要進行支護改革，采用錨桿支護。1 試驗巷道的地質條件結合生產現場的實際情況，決定支護試驗地點在10802工作面運中巷，試驗段長50m。該工作面上覆9802工作面采空區，運中巷就布置在9802工作面采空區下。該工作面煤層兩極厚1.82.1m，平均1.95m，屬簡單結構、穩定的中后煤層，堅固性系數f值為1.5。局部地段煤層中含一層粘土巖夾石，厚00.68m，賦存不穩定，堅固性系數f值為3。102煤上距9層煤采空區平均2.04m，下距五灰平均18.3m，五灰下距奧灰平均14.92m，工作面正常塊段掘進不受五灰、奧灰水威脅。1021煤，f值為1.5，平均0.5m厚的粉砂巖

4、，f值為34。底板為4.27m厚的粘土巖，f值為3。煤層頂、底板巖性如圖1所示。圖1 綜合柱狀示意圖2 支護方案與參數設計根據巷道控制效果好、安全可靠、便于施工和支護費用低的原則，采用計算機數值模擬及類比法進行支護方案與參數的設計。該巷道斷面為斜梯形，上幫高2500、下幫高1700，寬2700。經過初始設計、施工檢測、信息反饋與修改，最后確定巷道的支護方案和參數。2.1 支護方案的確定由于9層煤已經采出，102煤距離9層煤采空區只有2m左右。因此，根據組合梁理論，采用高強度高預應力錨桿將1021煤和0.5m厚的粉砂巖組成一個完整的組合梁，以提高該組合巖層的自承載能力。由于9層煤采空區與102煤

5、之間的頂板厚度只有2m左右，長錨桿和錨索懸吊在此特殊地質條件下是不可能的。102煤的直接頂經受了9層煤開采動壓的影響，受到了不同程度的破壞，頂板節理裂隙和滑移面發育。所以，為了防止漏頂，應鋪設金屬網護頂。因此決定采用錨、網、梁支護結構。由此不僅可以改變巷道圍巖的受力狀況，將頂板壓力通過兩幫實體煤傳遞到底板，而且還可以有效地限制頂板變形。綜合分析后，最終確定試驗巷道的頂板采用螺紋鋼樹脂錨桿11#礦工鋼梁金屬網支護，兩幫采用普通金屬錨桿金屬網支護（兩幫圍巖穩定時可省去）。2.2 支護參數設計頂板錨桿為無縱筋螺紋鋼等強錨桿，直徑18、長2100。錨桿間排距為800×800（），采用MSCK

6、2535型和MSZ2535型樹脂錨固劑卷各2卷加長錨固，錨固長度1400。錨桿的錨固力不低于64kN，扭緊力矩不低于300N·m。頂板金屬網為3.5冷拔鋼絲編制的方格網，長×寬2700×1000（）,網格為60×60（）。網要壓茬聯結，搭接長度60。鋼梁用11#礦工鋼加工制作，長2700。梁間距800（中中）。兩幫錨桿為端頭異曲型速凝水泥金屬錨桿，直徑14、長1600，間排距為800×800（）。錨桿的錨固力不低于40kN，扭緊力矩不低于100N·m。錨桿上幫布置三根、下幫布置兩根，第一根在頂板以下300處、第二根在頂板以下1100處

7、、第三根在頂板以下1900處。圖2 巷道支護斷面圖圖2 巷道支護斷面示意圖3 礦壓觀測與分析為了掌握支護后巷道圍巖活動規律和檢查支護效果，在巷道掘進過程中、巷道施工后的一段時間內以及在該工作面回采期間，在原架棚支護段和錨、網、梁支護段分別設點進行表面位移觀測和錨桿錨固力觀測。 表面位移觀測從觀測結果可以看出，架棚支護段的巷道變形量大于錨、網、梁支護段巷道的變形量，錨、網、梁支護明顯優于架棚支護。采用前者掘進影響期縮短2天，采動影響范圍縮小1520m。掘進影響期頂底板移近量減少36，降低了35%；兩幫移近量減少了10，降低了33.3%。穩定期頂底板移近量減少124，降低66.7%；兩幫移近量減少

8、了116，降低了92%。采動影響期頂底板移近量減少162，降低了62.3%；兩幫移近量減少了215，降低了85.7%。掘進影響期、穩定期和采動影響期頂底、兩幫移近速率均減小，頂板、底板和兩幫分別平均減小40.8%、74.8%、83.5%。斷面收縮率減少了26.27%。工程實踐表明，錨、網、梁支護的巷道能夠滿足安全生產要求，保證正常使用。10802工作面運中巷不同階段變形對比見下表和圖3、圖4。錨、網、梁支護和架棚支護不同階段表面 （單位：mm）支護形式錨、網、梁支護架棚支護變形階段掘進影響期穩定期采動影響期合計掘進影響期穩定期采動影響期合計觀測時間（天）5922211979221120頂底板移

9、近量頂板下沉4647641576287119268底臌211534704199141281合計676298227103186260549兩幫移近量2010366630126251407圖3 頂板下沉數據曲線圖4 兩幫移近數據曲線 頂板錨桿的錨固力觀測錨桿的錨固力隨著采煤工作面的不斷靠近最大可達56.2kN，達到錨桿設計屈服力的64.97%。錨桿沒有出現桿體和構件損壞，表明錨桿的強度是適宜的，支護設計是合理的。4 技術經濟效益分析4.1 支護效果4.1.1 巷道掘進速度加快102煤巷道采用錨、網、梁支護與采用架棚支護相比，巷道掘進速度加快，炮掘由194.4m/月提高到243m/月以上，單進水平提

10、高25%以上。4.1.2 掘進輔助運輸工作量減少10233，解決了煤巷掘進運輸工作量大、占用人工多和時常出現運輸跟不上而影響正常施工的問題。還大大減輕了工人的勞動強度。4.1.3 巷道的安全可靠程度提高錨、網、梁支護能夠及時支護新暴露的頂板，改善了巷道受力狀況，減少了巷道圍巖變形量，有效防止了巷道掘進冒頂事故的發生。與架棚支護相比，服務期內頂底板、兩幫總的移近量分別減少322和341，斷面收縮率減少26.27%。巷道有效斷面大則有利于通風和行人、運輸安全。4.1.4 回采工作面推進速度加快采用錨、網、梁支護由于顯著減少了巷道變形量、改善了巷道維護狀況、簡化了工作面端頭的維護工序、省去了大量替棚

11、工作量，相對縮短了采煤機在端頭的返刀時間和提高了采煤機的有效開機率，工作面月推進度和產量比采用架棚支護提高了2030%。這為工作面的高產高效創造了十分有利的條件。4.1.5 煤層自燃發火的發生概率降低102煤巷道沿底板掘進，用架棚支護時因需破頂而經常發生大冒頂，一個回采工作面多時可達十幾處，造成向9層煤采空區漏風，容易引發煤炭自燃發火。采用錨、網、梁支護從根本上消除了這個隱患。4.2 直接經濟效益巷道支護成本包括支護費用和其他費用。102煤巷道原采用11#工字鋼棚支護，頂梁長2300、棚腿長2300、棚距800。巷道支護費用為579.18元/m。而改用錨、網、梁支護后，巷道支護費用為513.9

12、0元/m。巷道支護成本中的其他費用是指巷道支護后，在服務期內（掘進和回采期間）的巷道成本（包括巷道維修費、運輸費、人工費和設備折舊費等）。架棚支護和錨、網、梁支護二者這項費用分別為521.17元/m和313.04元/m。以上兩者相加后原架棚支護為1100.35元/m，錨、網、梁支護為826.94元/m。巷道采用錨、網、梁支護比采用架棚支護支護成本降低273.41元/m。截止到2004年底，曹莊煤礦102煤剩余工業儲量1472.5萬t，可采儲量959.8萬t。根據歷史資料統計，102煤掘進率為150m/萬t，預計掘進回采巷道14.4萬m，如全采用錨、網、梁支護則可節約成本約3937萬元。5 幾點

13、體會 采用樹脂錨固劑卷加長錨固的螺紋鋼等強錨桿，其初錨力和預緊力都較大，冷拔鋼絲網網孔小、剛度大，與工字鋼梁組合后使被錨固的巖層形成一個整體承載結構，從而改變了下部巖層的受力狀況，提高了巖層的自承和承載能力，使之能經受住回采動壓的劇烈影響，保 障了巷道的安全。合理不知巷道，避開垂直應力和水平應力集中區是保證支護成功的重要因素。由于上覆9層煤開采時有時留的區段煤柱引起應力集中，煤柱下方102煤范圍內的垂直應力和剪切應力集中，尤其是剪切應力的增大使布置在煤柱下方附近的巷道難以維護。應合理布置巷道，盡量避開垂直應力和水平應力集中區，確保巷道圍巖應力小而均勻分布，巷道就易于維護。在近距離、采空區下、破

14、碎復合頂板的煤巷中采用錨、網、梁支護后，底板破壞減少，頂板對底板的壓力由點傳遞（棚腿）變為面傳遞（兩幫煤體），頂底板比壓減小了，由此有效避免了掘進工作面底板突水事故的發生。 現場礦壓觀測結果表明，這次支護改革試驗中的錨、網、梁支護設計能夠適應102煤的復雜地質條件。當頂板比較完整時，梁間距可選取為800，當頂板比較破碎或遇應力集中區時，應改為600。通過本次試驗，進一步摸清了102煤頂板的運動規律，為復雜條件下實現錨、網、梁支護提供了可靠的依據。總之，近距離、采空區下、破碎復合頂板的102煤巷道采用錨、網、梁支護獲得了成功，是肥城礦區102煤巷道支護的一次重大技術改革。若從技術上、管理上再作進一步的研究，對這項支護技術在支護性能和施工工藝上進一步加以改進和完善，就一定會創造出更大的技術經濟效益和社會效益。參考文獻1采礦工程設計手冊.煤炭工業出版社，2003.2井巷工程.煤炭工業出版社，1984.3何滿潮、袁和生等.中國煤礦錨桿支護理論與實踐.科學出版社，2004.4礦山壓力與頂板管理.2003（14）、2004（14）、