兖州矿区煤巷锚网支护技术的研究与实践

　近几年来，兖州矿业（集团）有限责任公司及其下属各矿针对以前在井下煤层巷道支护方面存在的问题进行了认真分析和归纳，并且与有关单位共同开展了科技攻关，积极应用当前已有的矿井支护新技术，取得了一批具有国内领先水平的煤巷锚网支护研究成果，在此基础上提出解决方案并进行了实施，有效地保障了矿井生产的安全，取得了良好的效果。

    1 兖州矿区煤巷锚网支护研究与实践

    随着综合机械化放顶煤技术的试验成功并广泛应用以及中厚煤层大功率高效综合机械化采煤设备的引进，兖州矿区综合机械化采煤工作面单产和矿井生产集中化程度大幅度提高，原有的工字钢梯形棚明显不适应巷道支护的需要。他们通过与科研院所及大专院校合作，在南屯煤矿首次进行煤巷锚网支护技术试验并取得成功，随后在矿区进行大面积推广，形成了不同围岩条件下较为完善的锚杆支护理论及设计方法，研究开发出适应矿区实际的锚杆支护施工机具和支护材料，锚网支护已彻底取代工字钢棚成为煤层巷道的主要支护方式。

    通过井下试验，采用综合机械化放顶煤工作面实体煤顺槽锚网支护技术的巷道支护状况明显改善；综合机械化放顶煤（综合机械化采煤）沿空顺槽锚网支护技术目前已经在兖州矿区得到了广泛的应用，年进尺超过15000m，其中8m以上的特厚煤层综放沿空巷道锚杆支护技术填补了国内的空白，总体研究水平达到国际先进水平；矿压观测表明，综合机械化放顶煤（综合机械化采煤）工作面切眼锚网（梁）锚索支护能有效地控制破碎顶煤的冒落及变形破坏，特别是半圆拱形断面巷道稳定性好，锚杆受力均衡。

    煤巷锚网支护技术是兖州矿区继综合机械化放顶煤开采之后的又一重大技术革命。与矿工钢支护相比较，其优越性主要表现为：锚网支护是主动支护，能及时加固围岩并利用围岩自身强度减少围岩变形，改善了巷道的支护状况，提高了煤层巷道支护的可靠性；减少了工字钢金属棚支设和回撤的工作量，减轻了辅助运输的压力和职工的劳动强度；简化了综合机械化放顶煤（综合机械化采煤）工作面端头支护形式，保证了工作面出口畅通，为工作面快速推进创造了条件。兖州矿区煤巷采用锚网支护技术以后，巷道断面利用率提高了10%~17%，满足了综放技术的生产需要。

    2 煤巷锚网支护快速施工

    兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿积极探索煤巷锚网支护及快速掘进的新工艺，在一年之内分别以748m和852m两次刷新了煤巷锚网全国单头月进最高纪录，确保了生产的接续。

    施工中的设备配备如下：采用MRH-S220M截割装载，配套SJ-80胶带输送机运煤；顶锚采用MFC1360/3630单体风动锚杆钻机，帮锚采用煤电钻。每班施工前，须由班长、组长和司机依据顶板状况共同决定技术措施，一次循环割出1～2排，顶板破碎段严格按照一排一支护制度。司机截割完毕后首先进行敲帮问顶，及时找掉顶和活渣、活煤，排除迎头安全隐患。

    打眼前，须在截割臂两侧搭好牢固的工作台，并将钻具准备好，打眼人员要站在永久支护下，由于迎头2～4排帮锚未打，操作人员严禁靠煤壁站立每循环截割2 排，铺顶网及上钢带时先铺设好第一排，人员站在永久支护下，并迅速将前探支护前移，把网和钢带托起；铺第二排网及钢带时，人员须站在临时支护下，迅速前移前探梁，并将临时支护设好；工作中须观察顶帮状况，发现危险立即将人员撤出。由于帮部最下面一棵锚杆拖后迎头施工，施工胶带侧锚杆时，胶带机严禁开机；只有迎头施工人员与机头司机联系好后方可开机。当煤壁松软易片帮时，每一循环两帮锚杆必须紧跟迎头打全；由于两帮上部两棵锚杆拖后迎头2～4排施工，施工帮锚杆时，人员正好站在机身上，施工前须将电缆、高压软管顺好，防止互相缠绕。每个循环顶帮锚杆施工完毕，将钻具、高压软管收拾好，人员全部撤至机身后方可进行下一循环截割。加强锚杆质量检测，做好验收记录。矿压组须加强矿压观测，及时总结数据，并通知施工单位。

    3 全煤巷道锚网支护

    兖州市杨庄煤矿位于兖州煤田的西北部，主采煤层3煤平均厚度为8.57m，采用悬移支架放顶煤采煤法，巷道沿着煤层底板布置，围岩松软，支护困难。原先采用11#矿工钢梯形棚支护，初期投资大、掘进速度慢、巷道成型差、施工不安全。为此，在山东省煤炭科学研究所的帮助下开展了全煤巷道锚网支护的试验研究。

    试验巷道选在9301工作面运输巷，采用半圆拱断面，断面积为6.4，电煤钻打眼，光面爆破。实测巷道围岩松动圈最大值为1.10m，最小值为0.70m，平均0.832m。该轨道巷要受到采面的影响，但是工作面前方支承压力明显作用范围不大、作用时间较短，采用受动压影响时的支护形式是不合理的。设计中把受静压影响时的支护作为基本支护，巷道受到动压影响时应当及时架设临时支护，提高支护结构的承载能力。快硬水泥金属锚杆杆长1.6m，杆径Φ14mm，锚固长度不小于400mm，间排距0.7m，锚固力不小于 29.4kN，每孔安装3卷水泥锚固剂，选用10#低碳钢菱形编织网。在轨道巷每隔15m布置1个观测断面，共布置3个观测断面，采用十字布点法。从巷道收敛变形中发现，顶底板累计移近量为10～12mm，最大移近速度在掘后当天为5～6mm/d；巷道两帮累计移近量为16～23mm，最大移近速度在掘后当天为7.5mm/d，而且巷道两帮的移近量和移近速度大于顶底板的移近量和移近速度。锚固力测试取样的时候，在30m巷道内每10m取1个观测断面，每个断面取4根锚杆为1组，检查结果均达到设计要求。

    该矿全煤锚杆支护巷道开挖以后的活跃期为5～6d，以后趋于稳定，巷道两帮及顶底板的移近率都小于1%，安全可靠。经过初次来压和周期来压的考验表明：锚杆支护参数设计合理，支护是成功的。

    4 复杂条件下煤巷锚网带架棚联合支护

    兖州矿业（集团）公司东滩煤矿在近距离及采空区下的破碎复合顶板煤巷中采用锚网带与架棚联合支护技术，是兖州矿区3煤巷道支护的一次重大技术改革。与传统支护形式相比取得了较好的技术经济效益，为复杂条件下煤巷实现锚、网、梁支护提供了可靠的依据，可在相似的条件下推广应用。

    支护试验地点在4305工作面运输顺槽，试验段长250m。该工作面上覆4305工作面。开掘段先沿掘进工区施工的假顶掘进，巷道完全进入3煤后沿煤底板掘进。3煤厚3.3～3.5m，f=2～3，较稳定。巷道断面为梯形，上净宽3330mm，下净宽4606mm，高3000mm。顶板锚杆为Ф20×2000mm无纵筋螺纹钢等强锚杆，间排距800mm×800mm。CK2550型和Z2570型树脂锚固剂锚固力不低于100kN，扭紧力矩不低于150Nm。顶板金属网为10#镀锌钢丝编制的方格网，压茬连接，搭接长度50～100mm。钢梁用12#矿工钢加工制作，长3580mm，梁间距600mm。两帮挂设 12#铁丝加工的2900mm×2900mm菱形网，锚杆隔棚布置。每排布置4根锚杆，排距1200mm，布置在棚档内。棚梁向下不大于300mm为第一根锚杆，第二、三、四根锚杆间距767mm。两帮采用Ф20×1800mm的全螺纹钢锚杆，通过铁托盘压紧金属网和煤壁。帮部每根锚杆有CK2550树脂锚固剂两块，每根锚杆用一块150mm×150mm×150mm的铁托盘。

    实践证明，采用树脂锚固剂加长锚固的螺纹钢等强锚杆，其初锚力和预紧力都较大，镀锌钢丝网网孔小、刚度大，与工字钢梁组合后使被锚固的岩层形成一个整体承载结构，从而改变了下部岩层的受力状况，提高了岩层的自承和承载能力，使之能经受住回采动压的剧烈影响，保障了巷道的安全。在近距离、采空区下、破碎复合顶板的煤巷中采用锚、网、梁支护后，底板破坏减少，顶板对底板的压力由棚腿点传递变为两帮煤体面传递，顶底板比压减小了，由此有效地避免了掘进工作面底板突水事故的发生。

    5 综采顺槽钢带锚网支护的研究有结果

    综合机械化开采顺槽的支护方式对于生产矿井的掘进速度、支护材料消耗、支护成本和回采工作面的端头支护8等都有直接的影响，然而综采顺槽断面随着机械化程度的提高逐渐加大，如果仍然沿用梯形棚支架必然难以适应生产的发展。为此，兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿进行了综合机械化开采顺槽支护形式的改革，并且对改革以后钢带锚网巷道支护的矿压显现规律、综合经济效益开展了研究，支护效果良好，经济效益显著。

    钢带锚网支护在试验巷道中实现了悬吊、组合梁和楔固机理的综合作用效果，从而使顶板处于良好的受力状态。此外，由于钢带锚网支护结构简单、体积小，运输工作量相对减少，巷道的有效面积相对增大。与矿工棚相比较，该支护不需要替棚，提高了工作面端头支护的工作效率，也改善了工作环境。如果将单体支柱直接支设在钢带上，则可以减去挂十字顶梁，使工作面端头支护得以简化。根据巷道表面位移变形曲线分析，钢带锚网支护的巷道矿压显现规律与其它支护形式围岩变形是一致的，即开挖期间变形、稳定期间的蠕变变形和回采期间的采动影响变形三个阶段。围岩变形速度在巷道开挖的时候和工作面回采期间变化明显，并且出现了峰值，容易发生顶板离层和冒落。

    实践表明，钢带锚网支护对巷道顶板产生的主动支护作用，能够及时有效地控制顶板的恶化。试验巷道由开挖至回采报废，其顶板累计移近量是123mm，两帮的累计移近量为182mm，巷道断面总收缩率只有8.95%，与矿工钢支护不相上下，变形以后的巷道断面完全能够满足生产的要求；支护成本为172.50元 /m，为矿工钢初次投入的23.3%，钢材用量仅为矿工钢支护的14.7%，降低了材料消耗。

    6 济三矿综放顺槽锚网支护取得成功

    为了改善回采顺槽的支护状况及加快矿井的建设速度，济南煤炭设计研究院和兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿在该矿北二采区首采工作面顺槽进行了锚网支护试验，并且取得了成功。

    传统的上下顺槽梯形棚式支护与综合机械化放顶煤工艺不相适应，严重地制约着综合机械化放顶煤工作面产量的进一步提高。由于综合机械化放顶煤顺槽的围岩属于节理裂隙岩体，所以要求将传统的外支护为主变为内加固为主，使得加固结构与围岩加固体共同承载，充分调动和利用围岩本身来承受外载。鉴于围岩变形和松动圈发展是全方位的，围岩中的顶、底和两帮相互影响，一方变形过大或者失稳将会恶化另一方的稳定条件。因此，要求支护结构体系整体化，全封闭的整体式支护结构是最理想的支护体系。根据以上分析，综放顺槽必须采用主动支护方式，并且形成支护整体，因而确定采用锚网加钢筋梯的支护方式。顺槽为矩形断面，净宽 4.0m，净高3.0m。锚杆选用20#螺纹钢杆体，树脂药卷，顶部锚杆长2.2m、两帮1.8m，顶部的间排距为650mm700mm、两帮为 700mm700mm，顶部7根锚杆、两帮各4根。金属网采用10#铁丝编织菱形网，钢筋梯采用10#圆钢焊接而成。使用的时候，钢筋梯托住金属网，锚杆托盘压住钢筋梯。

    在试验的过程中，对锚网支护和工字钢支护进行了矿压观测，内容有巷道变形观测、顶板离层监测、锚杆受力观测。锚网支护比工字钢支护的顶底板移近量小了近一半，说明锚杆支护不仅具有一定的初撑力，而且随着围岩的运动其锚固力发挥着越来越大的作用，特别是通过锚杆和钢筋梯、金属网的组合作用，改善了锚杆的受力状态，同时提高了锚杆组合岩梁承受弯曲拉应力的能力。

    7 锚网支护在大采深大跨度综放切眼的应用

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿根据2301工作面切眼的地质条件，确定了合理的锚杆支护参数。矿压观测数据分析表明，在大采深、厚顶煤的条件下，锚网支护能够有效地维护切眼围岩的稳定性，经济效益和社会效益十分显著。

    2301工作面是这个矿的第一个综放工作面，为倾斜长壁俯斜推进，切眼沿煤层走向布置，断面为矩形，宽7.6m、高2.8m，施工长度206m，沿煤层底板掘进，留顶煤，平均采深561.49m，煤层平均倾角为5。。由于3下煤层的节理裂隙比较发育，该切眼的围岩条件应属于IV类，即不稳定围岩。

    根据修正的普氏免压拱理论，按照切眼一次成巷考虑的松动高度为4.89m，需要控制的围岩范围即为切眼的顶煤厚度。据此，按照浅梁理论确定的合理锚杆支护参数为：顶锚杆长度2.2m，安装步距0.7m。以上计算是按一次成巷计算的，且需控围岩范围是按无支护时的松动范围考虑的，再加上实际成巷是先掘导硐，支护后再刷大，因此7.6m跨度的悬露时间将减少。在这么大的范围内，难免会有一些较发育的节理、分层，甚至小断层等，应当在切眼中部打2排摩擦支柱，增加锚网系统的可靠性。切眼与顺槽交叉点的范围比较大，顶板悬空面积近90m2，最大悬空距离取对角线的长度约为14.5m。由于顶板结构的限制，此处的围岩松动范围在两帮可能有所增大，因此顶锚杆适当加密即可以，但是煤帮必须用锚杆进行加固，顶煤破碎处可以打一些单体支柱。

    应用实践表明：锚网支护与架棚支护相比，单个切眼的综合经济效益为750.8774万元；而且，在设备的安装过程中消除了顶板事故的隐患，安全程度明显提高。

    8 锚网技术在孤岛工作面大跨度切眼的应用

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿通过对2303孤岛工作面切眼掘进中遇到的问题进行了研究，为同类型条件下的切眼施工提供了经验。

    根据该巷道三面临空、围岩差等特点，最初的支护方案确定导硐采取架设工字钢棚、刷大采用摩擦支柱配合工字钢顶梁支护，在两端头架设工字钢抬棚支护，后来通过与科研单位的研究，在做切眼支护时采取如下方案：顶板采用Φ222400mm高强度树脂锚杆，切眼外帮采用Φ222200mm高强度树脂锚杆，内帮（工作面推进方向）采用LX39/18-1800型螺旋树脂锚杆，间排距均为800mm，钢筋梯采用W型钢带，锚杆要求全长锚固；切眼正常断面内布置双排锚索，规格为Φ15.246000mm，间排距为2m2.4m，沿巷中布置间排距为900mm1000mm的双排单体液压支柱在切眼两端头和采煤机机窝开口处加打1排锚索和单体液压支柱；在两顺槽与切眼相交处，沿顺槽巷中布置1排注浆锚索，间距为1.6m；考虑到巷道底板为泥岩，两帮最下边一排锚杆距底板 300mm，并且斜向底板20。扎角；沿巷中布置1排注浆锚索，锚深7.5m，要求施工切眼导硐时必须施工注浆锚索。目前，23下03综合机械化放顶煤孤岛工作面已经回采，其切眼在施工和安装过程中较好地保持了巷道形状，保障了工作面的施工和安装的顺利进行。

    这个矿的实践证明：采用锚网支护后，取消了原先工字钢支架支护切眼时的运棚和替棚等工序，减轻了工人的劳动强度；由于采用高强度树脂锚杆和全长锚固，提高了巷道支护的整体性，保证了安全施工，同时由于采用了注浆锚索，增加了顶板岩层的粘结力，提高了顶板的稳定性。

    9 综合机械化放顶煤沿空巷道锚网支护

    兖州矿业（集团）公司东滩煤矿在采深600～700m的条件下，结合矿压观测及理论分析，确定留设小煤柱护巷的合理尺寸及巷道支护参数设计的几个关键问题，实际应用效果显著，也减少了由于设计引起的煤炭资源损失。

    4307 “孤岛”综合机械化放顶煤工作面顺槽位于东滩矿四采区第七区段。由于此面上下两个区段都已经回采完毕，所以为“孤岛”综采放顶煤工作面。该面回采井田内的 3上层煤，煤层厚度为4.9～5.3m，呈块状，内生裂隙发育。煤层倾角0°～15°，普氏系数f=1.2～1.8。该巷所处地带有小断层，顶板裂隙发育，受轻微地质构造影响。直接顶为灰色粉砂岩，厚度为2.65～9.82m；老顶为灰白色中砂岩，厚度为6.57～18.37m；直接底为浅灰色粉砂岩，厚度为2.69～6.25m。他们采用钢带锚网支护和锚索补强加固技术，使巷道表现出良好的力学特性，有效地控制了巷道围岩的变形。据观测，巷道顶板的最大移动量为203mm；两帮的最大移动量为499mm，保证了巷道在整个服务期间的正常使用。

    实践表明，为了达到最佳平衡点，他们综合考虑了小煤柱尺寸与支护强度之间的关系，留设3.0～4.0m煤柱是合适的；综合机械化放顶煤沿空巷道在采动影响的时候，采空区悬露的顶板以巷道实体煤侧的巷帮为支点转动，导致沿空巷道的两帮及顶板位移量增大，所以如何提高小煤柱的支撑能力和增强上覆岩层支点的稳定性是保证巷道稳定的关键；与传统的金属棚支护相比较，采用锚杆和锚索联合支护可以大幅度地降低支护的成本、改善采煤工作面端头的作业环境、简化作业工序、提高掘进速度，其经济效益是相当显著的。

    10 综合机械化放顶煤沿空掘巷锚网支护技术的研究

    兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿对综合机械化放顶煤工作面沿空掘巷上覆岩层的结构特征进行了研究，通过留设合理宽度的窄煤柱，满足了巷道掘进期间锚杆支护的需要，并且采用加强巷道两帮的支护及预拉力锚杆支护，保证了巷道在经受工作面动压影响期间的稳定性，在综合机械化放顶煤工作面沿空掘巷的锚网支护取得了成功。

    厚煤层综合机械化放顶煤沿空掘巷与实体煤巷相比较，工作面的超前动压影响范围大、巷道变形剧烈，采用锚网支护存在着很大的困难。此项研究表明，煤体在上区段采场工作面回采的过程中由弹性状态进入到塑性破坏阶段，煤体产生了很大的变形量，随着采动的影响及时间的延长，上覆岩层断裂，并且逐渐反转下沉，当上覆岩层与邻近的采空区矸石接触并且压实以后，煤体的变形基本稳定，上覆岩层在煤体上方与采空区的底板组成了压力拱结构。位于采场老顶在煤体内断裂部位和位于采场老顶在采空区内触矸部位处的前后拱脚压力是不相等的，属于不对称压力拱。

    根据压力拱中的应力分布特点，在应力升高区中的煤柱护巷和在原始应力场的大煤柱护巷都是不可取的；在压力降低区中的沿空掘巷分为无煤柱掘巷和小煤柱掘巷，无煤柱掘巷虽然能够充分地开采煤炭资源，但是存在着巷道通风、上区段采场采空区残煤自燃等不利因素，因此沿空掘巷的最佳位置应当为小煤柱掘巷，最佳煤柱尺寸是在煤体不发生裂隙向采空区漏风、诱发自燃及有利于巷道维护条件下的最小煤柱尺寸。鲍店煤矿的实践表明：采用锚杆支护的巷道两帮及顶板的下沉量、变形量分别比被动的架棚支护巷道降低了38.08%和23.29%，的最终断面收缩率不大于30%，巷道的支护成本降低了32.96%，取得了显著的技术经济效益。

    11 南屯矿沿空掘巷锚网支护应用效果好

    兖州矿业（集团）公司南屯煤矿的沿空巷道锚网支护一直是有待攻克的技术难关。该矿先在1305上顺槽进行普通综合机械化开采工作面沿空掘进顺槽锚网支护的试验与研究，并且初步获得了成功，随后又将该项技术成功地应用于1303综合机械化放顶煤工作面沿空掘进顺槽。迄今为止，这个煤矿共施工沿空锚网巷道近万米，直接经济效益近千万元。

    在矿井深部地压显现较为剧烈的沿空巷道中，单纯采用锚网支护的支护强度及可靠性相对较底。为此，他们引进了预应力锚索辅助支护技术，与锚网支护联合应用于沿空巷道中，有效地解决了沿空锚网巷道应力集中、变形明显等一系列难题。

    通过对沿空施工巷道的矿压观测和分析，并且与相似条件下实体煤巷道的变形情况进行了对比，得出了以下结论：沿空巷道施工造成的巷道表面位移量大大高于相似条件下的实体煤巷道；同实体煤巷道相比较，沿空巷道受到掘进动压影响的早期来压和变形较为明显，而架棚巷道一旦出现明显变形，则较难采取控制措施，巷道的返修率高；沿空巷道中，尤其是沿着3层煤顶板掘进的普通综采顺槽中的棚腿弯曲更甚于棚梁变形，不少棚腿出现因弯曲过度而断裂的现象；在掘进的过程中，由于沿空巷道的侧压较为明显，采用架棚支护时棚腿的抗侧压能力又过于薄弱，使得棚腿的扎角变小或者成为倒扎角而满足不了规程要求和使用需要，极大地增加了巷道的维护及维修工作量；沿空侧煤柱在2m 及以上时煤体相对较为完整，片帮现象较轻，煤柱小于2m时沿空侧的煤体较为松散。在不考虑工字钢支架与锚网支护材料运输费用差额的情况下，每施工1m巷道，3层煤及3层煤沿空锚网支护分别占用资金886.3元和1088.3元，而采用矿用工字钢棚支护为1713.7元。

    12 鲍店矿推广煤巷锚网支护效益显著

    兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿大力推广煤巷锚网支护新工艺，每米巷道的支护材料费用比原先采用架棚支护节约近千元。迄今为止，这个矿已经应用煤巷锚网支护3万多米，共节约支护材料费用3000多万元。

    巷道支护工艺与掘进速度、支护材料消耗、支护成本和端头支护方法等有着直接的关系。随着我国煤矿采掘机械化水平的不断提高，采准巷道的断面亦在不断地加大，改善和简化巷道与端头支护的要求越来越迫切。因此，将综采顺槽多年来采用的棚式支架支护改成锚网支护已是势在必行。

    鲍店矿的煤巷锚网支护主要是在顶、帮均为实体的3煤和3煤层中，这两层煤的硬度约为f=2～4。实测采前松动圈数值为1.0～1.1m，属于III类一般围岩；采动影响期间的松动圈数值为1.8～1.9m，属于 IV类大松动圈围岩。顶帮均采用Φ181800mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶部锚杆的锚固力为80kN、两帮为50kN，锚杆的间排距最大为800mm。顶部锚杆在巷道两肩窝部必须布置与水平方向成60°，锚深为1800mm，其锚固端与巷帮的水平距离不小于800mm。其它锚杆呈扇形布置。两帮锚杆与岩面垂直布置，而且两帮下部的第一根锚杆距离底板不大于500mm。顶部选用一卷规格为Φ23700mm的双速树脂药卷进行端锚，两帮用一卷 Φ23350mm的超快速树脂药卷进行端锚。背帮背顶采用钢筋梯子和金属网满背。

    该矿在大力推广煤巷锚网支护的同时，还对已经施工的锚网巷道进行了跟踪设站观测，结果表明煤巷锚网支护在工作面顺槽中表现出良好的力学特性，实现了悬吊、组合梁和楔固机理，有效地加固了顶板岩层，保持了巷道顶板的完整性。

来源：资源网