联合支护在掘进巷道穿煤层和松、软岩层中的应用
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作者: 丁连丰
【摘 要】正阳煤矿掘进巷道穿煤层和松软岩层时使用锚杆+金属丝网+w型钢带+锚索联合支护的支护方式。文章分析了联合支护的支护原理和技术经济效果，通过理论验算和应用效果证明其可行性。
【关键词】掘进巷道；软岩；锚网索联合支护
0.前言
在煤矿的全岩上、下山或平巷掘进过程中，经常要穿过煤层或靠近断层带的软弱岩层。而它们的共同特点是结构疏松、容积小、孔隙率大、强度低、易产生变形等，具有松、软的特点：如果巷道在穿过这些松、软岩层时不采取专门措施进行支护会产生侧向剪切破坏，给安全生产带来极大的不变。
根据各地松软岩层性质的不同，所采取的措施也不同。目前国内各矿采用的支护中有代表性的有：料石砌碹、U型钢可缩性支架，棚式支架、锚喷支护、锚喷与砌碹联合支护、锚喷与u型钢可缩性支架联合支护等。
分析上述几种支护形式可知，料石砌碹、U型钢可缩性支架、棚式支架等属于被动支护，易发生变形或受围岩条件所限而使支护效果不理想，再加上成本高、速度慢不易全面推广。锚喷支护虽是主动支护，但其对巷道围岩要求更高，只适合部分巷道。
新兴煤矿在一采浅部27#，29#层的穿煤层，软、弱岩层掘进过程中采用了用高强度树脂锚杆+金属丝网+w型钢带+锚索联合支护的新技术，经过几年来的实践，获得了成功并取得良好的效果。
1.穿煤层或软、弱岩层锚杆支护的确定
1.1概述
一采27#运输道净宽2.8m，净高2.4m，为矩型断面，净断面积6.72m2，坡度-22°，需穿过29#层煤到27#层。29#煤厚3.0m，煤层平均倾角8°顶板为0.2-1.0m的煤和煤页岩互层，经计算27#运输道顶板为软岩的穿煤层巷道汁20m。
1.2支护参数的选择
根据实践论证和多年来的经验，选用?准18mm的无纵筋左旋螺纹钢锚杆，锚杆间、排距为800mm× 800mm，配金属丝网和W型钢带(以防止破碎顶板冒落)，同时采用1860MPa级低松弛钢绞线作为锚索，排、间距为2000mm× 2000mm(以防止锚杆打不到稳定岩层)，进行支护顶板，见图1。
图1 巷道断面图
1.2.1 支护设计
顶板最小支护强度：
P=m·r=31.1kPa
式中 m—悬吊岩层厚度，1.7m；
r—岩石容重，18.3 kg／m3。
每米巷道需承受的载荷：
Q=P·B=87.1 kN
式中 B—巷道净宽，2.8m。
每米巷道锚杆提供的载荷：
Q1=3·Pm·η=156kN
式中 Pm—锚杆锚固力，65 kN；
η—安全系数，取0.8。
每米巷道锚索提供的载荷，锚索的工作载荷为Q2=176 kN，每米巷道I根锚索。
Q1+Q2=156+176=332kN
Q满足支护要求。
长度计算(按悬吊理论公式计算)：
L=L1+L2+L3
式中 L—锚杆长度2.0m，锚索长度5.0m；
L1—外露长度，锚杆0.1m,锚索0.2m；
L3—锚入稳定岩层的深度，锚杆0.3m，锚索1.0m；
L2—悬吊长度，锚杆1.6m，锚索3.8m。
经计算选锚杆长度为2.0m，锚杆的性能指标见表1：
表1 锚杆性能指标表
1.2.2 锚固剂的选择
每孔2个，直径为23mm，长度25mm,适用钻孔直径28mm的锚固剂。锚固剂的类型、规格及主要参数见表2：
表2 锚固剂类型规格及主要参数表
1.2.3锚索
钢绞线性能参数见表3：
表3 钢绞线性能参数表
1.2.4 W型钢带
W型钢带技术性能指标见表4：
表4 W型钢带技术性能指标表
1.2.5金属丝网
网孔角度90°、网丝的抗拉强度为350MPa。
1.3锚杆+金属丝网+W型钢带+锚索联合支护的支护原理
当锚杆伸人稳定岩层时，它可以将破坏区岩层与稳定岩层相连，阻止破坏岩层垮落。同时锚杆提供径向和切向约束，阻止破坏区岩层扩容、离层、滑动，从而提高其承载能力。
当锚杆不能伸人稳定岩层时，它的主要作用是在破坏区内形成次生承载层，阻止上部破坏岩层扩容、离层；同时使围岩深部岩层内的应力趋于平均。金属丝网可兜住破碎的顶板，同时和锚杆+钢带连成整体，形成组合梁、两帮形成支撑点可均衡锚杆受力，阻止岩层发生较大的转动和垮落。顶板压力通过组合梁传到两侧的纵深处，起到卸压的作用。而锚索主要是将锚杆支护形成的次生承载层与围岩的坚固承载层相连，阻止因次生承载层失稳而引起的顶板垮落。同时由于锚索锚固深度大、承载能力高、可施加较大的预紧力，增加不连续面之间的摩擦力，从而提高围岩的整体强度。
1.4施工
施工采用风钻掘进。MQT-90型气动锚杆钻机，配六棱形钻杆和?准28mm钻头钻孔后，快速安装锚杆。要求锚杆托盘紧贴钢带，钢带紧贴金属丝网，金属丝网紧贴顶板，将螺母拧在锚杆上并插入双六方套中，用锚杆钻机将锚杆连同药包一起送到孔底，随即使锚杆快速旋转数秒后停转；此时继续保持推力待药包固结后，使机体落下；然后用锚杆钻机将螺母拧紧。锚索安装后施加120～230kN的预紧力。
2.应用效果分析
新兴煤矿自2004年10月到2007年6月采用锚杆+金属丝网、W型钢带+锚索联合支护以来，穿煤层或过断层破碎带软岩巷道近1200m。经近3年来的观测，巷道顶板下移量均在50-130mm之间，巷道状况良好。
3.技术经济分析
(1)巷道状况良好，说明选择的支护参数合理。
(2)联合支护具有承载快、锚固力大、巷道位移小的特点，能有效地抑制围岩变形。
(3)顶板形成“组合梁”，并保持完整性，为安全生产消除隐患。
(4)因没有采用木棚支护，避免了折梁、断腿现象，也避免了二次维修。同时减少了断面近16％，提高了断面利用率。
(5)锚杆体积小、重量轻、易于携带、施工方便，从而减少了劳动强度，提高了劳动效率，还可提高巷道单进。
(6)锚杆施工简单、操作方便、施工速度快，能比棚式支护在更短的时间内维护顶板，最大限度地减少围岩的破坏。
(7)经计算，使用锚杆联合支护比木棚支护每米可减少支护成本110元。
4.结语
巷道穿煤层或软、弱岩层采用锚杆+金属丝网+W型钢带+锚索联合支护在新兴矿取得成功且效果良好。此项新技术起到抑制围岩扩容、离层，并形成“组合梁”使岩层应力趋于均匀，能有效地支护顶板，为安全生产提供条件，有一定的推广价值。
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