锚网联合支护技术在大断面掘进中的应用
------山西同煤集团管耀灵等
阳方口矿业集团有限责任公司石湖煤矿是年产90万吨的现代化矿井，从2004年以来，该矿进行了改扩建，为解决支护难题和加快掘进施工进度，保证矿井接替，经过反复研究和实践，决定大力推广使用巷道锚杆锚索支护技术，支护率达到99％以上。在掘进51001工作面7米宽大断面切眼中，锚网联合支护技术得到了有效应用。
一、工作面概况
51001工作面是石湖煤矿5#煤第一个综采放顶煤工作面。走向长度580米，切眼120米。煤层厚度14米，结构为：1.8(0.25)2.68(0.24)2.03(0.21)3.77(0.27)0.94(0.25)1.8。老顶为16米厚灰黑色碳质泥岩或砂岩夹有薄煤层，直接顶为0.6-2.0米的黑色碳质泥岩，有分布不匀的煤层，岩石较软。伪顶为0.1-0.2米厚的黑色泥岩，分布不匀，很软。直接底为0.15米厚的黑色泥岩，具有粘状。老底为0.7-1.1米厚的黑色碳质泥岩，夹有硫铁矿。煤层倾角6度。
二、切眼顶、底板及两帮的受力分析
51001工作面切眼垂直于51001运输与回风顺槽，沿底掘进，开掘巷道时破坏了原始应力状态，应力重新分布并取得新的平衡。煤层中掘进巷道(开切眼)后，巷道上方的煤层顶板失去了支撑，就会发生变形和破坏，最后形成平衡拱。拱内的煤层和岩石将不再承受和传递上覆岩层的压力，但平衡拱上方岩层的重量要转移到巷道两帮煤体上。
三、支护参数的确定
(—)、工作面切眼高、宽参数的确定
1、切眼宽度计算
综采支架ZF4600／19／30支架长度为5．76米，按支架在切眼内能够转向，并且考虑一定的安全距离设计，支架的对角线长度为：I= (5．762+1．52)1／2=5．99米；考虑到安全间隙，切眼宽度取7米。
2、切眼高度计算：
切眼高度计算按综采支架最大采煤高度考虑，ZF4600／19／30最大支撑高度为3米，考虑一定的支护力度，取2．8米。
(二)、巷道布置
综采工作面切眼，沿煤层底板布置。方向垂直于两顺槽，切眼长120米，宽7米，高2.8米。
(三)、支护设计
1、巷道顶压计算(根据自然平衡拱理论计算)：
Q=4／3γa2／f=4／3×1.47×3 .52／1=24吨／m
γ——岩体密度，取1．47吨／m3
a—巷道跨度之半，取3．5m
f—岩层普氏系数，取1
2、顶部锚杆参数的选择
(1)、根据煤巷锚杆与网梁组合的经验公式计算：
锚杆长度：L=N(1．5+W／10)=1．1(1．5+7／10)=2．42米，取2．4米。
L一锚杆长度
N——围岩影响系数，煤巷属Ⅳ类围岩，取1．1
W—巷道宽度，取最大宽度7米
锚杆间距：(按加固拱原理选)M≤0．5L=1．2m，为加强切眼支护，锚杆间距可取1米。
锚杆直径：d=L／110=2。5／110=0．022m，取22mm
d一锚杆直径mm
故锚杆取长为2．4米，直径为22mm的左旋无纵筋螺纹钢
(2)、顶锚杆杆体的选择：采用20MnSi螺纹钢杆体。间排距取1米。
(3)、顶锚杆锚固形式：加长锚固，采用一快速一中速药卷配合使用。
(4)、顶锚锚固长度：
L0=LRl2／(R2-R22)=(600+350)×122／(142-112)=1824mm
LO------锚固长度，mm
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钻孔
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R——钻孔半径，14mm
R2———锚杆半径，11mm
R1——树脂药卷半径，12mm
(5)、顶锚杆锚固剂的选择：规格Z2360、K2335
(6)、三径匹配
三径合理匹配值：钻孔直径与锚杆杆体直径之差应为4—10mm，钻孔直径与树脂药卷直径之差应为3—5mm。锚杆杆体直径取22mm，故钻孔直径应为28mm，树脂药卷直径为24mm。
(7)、预紧力矩的确定：顶锚预紧力矩不小于100N·M．
(8)、顶锚杆锚固力不小于70KN。
(9)、托板、螺母、垫圈的选择：托板选用水泥托板，螺母选用压片式螺母。
3、菱形网：为防止漏顶，切眼掘进期间铺设菱形网。规格1300×7300mm
锚杆杆体及其附件有关参数见下表：
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锚杆材质
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杆体屈服强度(MPA)
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杆体屈服载荷(KN)
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杆体抗拉强度(MPA)
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杆体破断载荷(KN)
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延伸率
(%)
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螺纹钢 型号
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尾部螺纹承载力(KN)
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20MNSI螺纹钢
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400
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125
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570
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180
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15
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KMG400
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162
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螺母型号
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螺母材料
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螺母剪切扭矩(NM)
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水泥拖板破坏载荷(KN)
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帮锚网 丝径(mm)
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顶锚网 丝径 (mm)
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网孔(mm)
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网的抗拉强度(MPA)
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LMM20
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ZG230-450
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100
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50
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3
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4
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50*50
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500
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4、锚索参数的选择，由于巷道为煤巷，属Ⅳ类围岩，所以在巷道顶部加用锚索支护。
(1)、锚索长度 1a=1a1+1a2+1a3=5．5米，取6米
1a1一锚索外露长度，取0．3m
1a2一锚索有效长度，依据煤层柱状图，在距巷道底板7米处有
一层坚硬夹石，巷道沿底掘进，巷高2．8米，故1a2取7-2.8=4.2米
1a3一锚索锚固长度，取1m。
单根锚索排距M：M=3[sa)／4a2rk=3.1m，每排按四根计算，为加强支护取1.6米。
(sa)一单根锚索极限破断力，取260kN，
k--安全系数，取2
a--巷道宽度，7m
r---上覆岩层平均容重，取2.2吨／m3
故锚索取长为6米，直径为15．24mm的钢绞线，排距取1．6米，每排为四根锚索符合要求。
(2)、锚索也采用加长锚固，须用三卷药卷，一支为K2335，另两卷为Z2360。锚索头部设有树脂药卷搅拌头。
(3)、锚索锚固长度：L0=LR12／(R2-R22)=(600+600+350)×11．52／(142-102) =2135mm
(4)、锚索托板选用长宽均为30mm，厚为10mm的钢板
(5)、锚索锚固力不小于200KN。
锚索杆体有关参数见下表：
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锚索直径(mm)
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钢绞线强度(MPA)
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锚索破断力(KN)
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屈强比
(%)
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锚索延伸率(%)
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15.24
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1725
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240
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90
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3.5
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四、木点柱支护
为了加强支护，在工作面支设两排木支柱，柱径20CM，长2.8米，柱距3米。
五、施工工艺
采用综掘机掘进，使用单体柱配合π型梁临时支护，每班截割两刀后，进行锚杆支护，然后使用锚索机按规定进行锚索支护，加支木点柱。顶板支护完毕，护帮，每隔10m安顶板离层仪，进行每日观察，同时对锚杆、锚索进行拉拔试验。
六、支护效果分析
该大断面巷道从掘进到支架安装完毕时间较长，所以必须加强支护，防止顶板冒落。掘进时只受到了初次开挖地应力影响，使用锚杆、锚索、金属网及木点柱联合支护后重新形成具有一定强度的组合加固拱，取得了较好的支护效果。实践证明，到开始回采，切眼未发生形变、冒落。
1、巷道变形量小。
2、锚索能充分发挥岩体的自身承载能力，锚索在安装时能以较大的预应力对岩体施加压力，并并传递主体结构的支护应力至深部稳定岩层。在预应力的作用下，围岩产生压缩，在锚索的弹性压缩下形成载体，提高了围岩的整体性和内在抗力，加强了围岩强度和稳定程度。
3、减少了巷道维修量。
4、降低了劳动强度。锚索、锚杆重量轻，安装容易，无繁重的体力劳动。