內蒙古烏海能源公司老石旦煤礦
北三16404工作面回風順槽支護方案設計
捷馬（濟寧）礦山支護裝置製造****
2023年10月23日
老石旦煤礦16401工作面順槽採用錨桿和金屬網進行一次支護，採用u型鋼棚進行二次支護，但在回採過程中u型棚回撤困難，同時巷道維護效果不好，需要補打錨索進行補強。為此礦上決定在16404工作面取消u型鋼棚支護，採用錨網和錨索進行支護。捷馬公司的技術人員在礦上及公司生產處有關人員的帶領下，分兩次對井下北三16404工作面及16401工作面順槽的支護現狀進行了調研，結合礦上的有關資料，捷馬公司對井下支護現狀進行評價，同時將對北三16404工作面回風順槽提出支護方案建議，供礦方參考，以達到在掘進和回採中安全、經濟、快速的目的。
本報告包括以下內容：
（1）地質及採礦條件概況
（2）原有支護方式及存在的問題分析
（3）16404工作面回風順槽錨網支護思路及改進的主要引數
（4）整體耦合讓均壓支護理念
（5）支護方案及支護引數的確定
（6）試驗前的準備工作
（7）現場支護觀測及評價
1 地質及採礦條件概況
北三16404工作面位於北三採區，井下位置在北一採煤柱與北三煤柱之間，距16402工作面運輸順槽80公尺。16402工作面現正在回採中。
16404工作面所採煤層為16煤層。16煤層共分為4層煤，其中16-4煤層平均厚度為3.05m，傾角為8～18°，煤層硬度係數f=1.
5，煤層層理及節理發育。煤層頂底板情況如下表所示。
表1 巷道頂底板情況表
16404工作面回風順槽沿16-4煤層底板進行掘進，巷道斷面設計採用矩形斷面進行設計，巷道設計寬為4200mm，高為3500mm。
16404工作面回風順槽具有如下特點：
（1）巷道採用矩形斷面，可以解決拱形斷面回採時遇到的超前支護問題。
（2）圍岩節理層理發育。
（3）巷道主要受工作面超前支撐壓力的影響。
2原有支護方式及存在的問題分析
2.1原有支護方式
傳統工作面回風順槽設計採用錨桿+金屬網+u型鋼棚，巷道採用半圓拱形。
錨桿引數
錨桿：φ18×2000mm圓鋼錨桿
托板：150×150mm
梯子梁：四孔型φ14×2800×100mm
金屬網：1200×5000mm
樹脂藥捲：s2360、z2360
u棚規格
29kg/m u型鋼
2.2 存在的問題及分析
根據井下觀察，目前支護存在著錨桿支護主動效果差，錨桿和錨索支護無法達到耦合狀態，護表效果差等問題，而且巷道支護成本高，很難保證目前支護能夠滿足回採的需要。
（1）錨桿工作狀態
初期支護：安裝應力沒有明確要求，安裝扭矩與安裝應力的關係不明確，雖然對安裝扭矩有要求，但從現場情況看，很多錨桿托盤沒有緊貼岩面，安裝應力很小甚至為0，錨桿無法真正起到主動支護的作用。
後期受力：錨桿受力不明顯，很多錨桿隨著圍岩的變形一起變形，造成圍岩表面破碎。雖然錨桿杆體的直徑及強度較大，但錨桿對圍岩的支護力卻很小，造成錨桿與圍岩的變形及受力不耦合，錨桿沒有起到應有的支護作用，造成錨桿失效。
錨桿產品質量：所用的托盤、螺母與杆體強度不匹配，無法保證錨桿在受力時充分發揮杆體的作用，在很多情況下是由於托盤和螺母的強度達不到要求造成錨桿後期失效。
（3）護表效果
表面支護主要是由托盤、金屬網背板木材組成。
托盤的強度及大小必須與錨桿杆體的強度相匹配，充分發揮錨桿的作用；
金屬網必須保證能夠適應圍岩的變形需要；
（4）u型鋼棚子支架
16401工作面順槽二次支護方式為u型鋼棚子支護，很明顯，u型鋼棚子支護效果不盡人意，存在的問題比較多：
● 架設時很難接頂，受力不均，在巷道圍岩產生大量破壞變形之前，基本上載荷很小，起不到支護作用。
● 在工作面支撐壓力影響區，u型鋼支架在煤壁前方需要撤腿，在撤腿過程中引起頂板下沉嚴重，巷道高度減小，嚴重影響巷道的使用。
● 由於巷道是半圓形，端頭支護在∏型梁和拱之間需要打木垛。
● u型鋼本應在超前支撐壓力範圍內支護巷道，但由於替腿和換梁，u型鋼完全失去支護作用，而且需要花費大量人工**。
● 端頭支架和順槽u型棚無法配合，造成端頭支護非常困難，已經成為制約工作面推進的主要因素。
● u型鋼棚子運輸及安裝不方便，從經濟方面無法與錨網支護相比。
（5）圍岩及變形情況
總體來講，在不受超前影響之前，巷道變形在目前的支護方式下變形不大，然而在受到支撐壓力影響後，巷道圍岩破碎，頂板下沉量大。這一方面是錨桿支護系統存在問題，另一方面替棚換梁造成u型棚在超前支撐壓力去完全失去作用。當然目前的端頭支架不配套也是主要問題之一。
3 16404工作面順槽支護思路及改進的主要引數
3.1支護思路
16401工作面順槽目前採用錨網+u型鋼支架進行支護，安裝u型鋼支架的主要作用一是對圍岩進行補強支護，二是對工作面進行超前支護，適應回採的需要。然而通過井下觀察，在受支撐壓力之前，圍岩的變形並不明顯，u型棚沒有起到支護的作用；而且在受支撐壓力之後，由於巷道斷面是半圓拱斷面，在∏型梁與u型鋼支架之間需要架設木垛，端頭支架無法與u型鋼配合，支架回撤困難，影響工作面回採，u型鋼支架沒有真正起到超前支護的作用。
根據上面的分析，u型鋼既沒起到支護的作用，也沒起到超前支護的作用，而且回撤存在很多問題，因此取消u型鋼支架不可避免；拱形斷面對回採工作面端頭支護及超前支護影響較大。因此，16404工作面回風順槽支護思路如下：
（1）根據目前的條件，能否取消u型鋼支架。
（2）拱形斷面不利於巷道超前支護以及端頭支護，能否變拱形斷面為矩形斷面。
（3）根據上面的分析，目前支護的重點是如何保證在矩形斷面條件下採用錨網支護一次性支護成功。
根據目前錨網支護技術的發展，現有的支護技術完全能夠保證矩形巷道條件下圍岩的穩定。針對老石旦煤礦存在的問題，為了實現錨網支護一次成功的目標，必須對目前支護系統進行改進。在目前的支護水平條件下，根據長期的支護經驗，只要設計合理，產品質量得到保證，施工管理滿足要求，實現矩形巷道取消u型鋼支架是完全可行的。
巷道支護主要包括支護設計、支護產品以及現場施工和觀測，因此，這就需要對巷道進行有針對性的支護設計，採用滿足設計要求的支護產品，制定檢驗標準及礦壓觀測標準保證井下施工質量，並為修改支護引數提供依據。
支護設計：
針對巷道的地質條件和採礦特點進行分析，有針對性的提出支護的重點；對安裝應力進行支護設計，以保證錨桿的主動支護效果，充分調動圍岩的承載能力；對錨桿錨索進行耦合支護設計，使錨桿錨索和圍岩從應力和變形兩個方面達到耦合狀態；對支護系統進行整體設計，盡量使圍岩保持整體狀態。
支護產品：
所選用的產品從產品效能來講必須滿足設計要求；支護產品的配件（托盤、螺母、墊圈、索具、讓均壓裝置）等必須滿足錨桿杆體或者鋼絞線的強度及變形要求。
現場施工：
為保證施工質量，必須制定施工標準，同時要對工人進行施工培訓，保證錨桿錨索能夠滿足設計的要求；同時為保證支護系統能夠滿足設計的需要，需對井下施工巷道進行礦壓觀測和評價，為支護引數的修改提供依據。
3.2 改進的主要引數
根據上面的分析，16404工作面回風順槽錨網支護的重點是變二次支護為一次支護，取消棚子支護。因此16404工作面回風順槽錨網支護需要改進的主要引數有以下幾個方面：
（1）安裝時初期支護引數的設計：必須解決初次支護系統失效問題。初次支護系統的錨桿，錨索的長度和布置需要調整。
（2）後期支護引數的設計：錨桿，錨索的耦合均壓支護共同支護頂板。盡最大能力提高支護系統的效率，同時防止錨桿錨索破斷。
（3）表面支護問題。
（4）錨桿、錨索與圍岩之間變形耦合問題。
（5）支護產品的效能和質量。
（6）施工標準及檢驗標準的建立。
（7）礦壓觀測及評價。
4 整體耦合讓均壓支護理念
在巷道穩定控制中，錨桿支護的最基本點是通過錨桿支護系統對圍岩施加主動力實現早期主動支護以增加圍岩的強度和承載能力。實現錨桿支護系統與圍岩共同作用保持圍岩的穩定性。
根據彈塑性力學基本原理，所謂耦合的概念對乙個單獨的支護體相對圍岩來講就是在保證圍岩穩定的條件下，支護體（錨桿或索）和圍岩間必須達到圍岩應力－錨桿載荷平衡（應力耦合），圍岩位移－錨桿變形協調（變形耦合）。為了保證圍岩穩定性和防止錨桿（索）破斷，錨桿（索）支護設計必須滿足下列條件：
（1）足夠的安裝載荷以保證及時主動支護。
（2）適宜的支護強度以保證錨桿（索）和圍岩間的應力載荷平衡（應力-載荷耦合）。
（3）圍岩表面位移滿足圍岩穩定性要求。
（4）足夠的延伸距離以保證錨桿（索）和圍岩間的變形協調（變形耦合）。
巷道錨桿（索）支護是按一定設計的間排距由數根錨桿（索）組成。由於沿巷道周邊變形大小不一，錨桿和錨索物理力學性質和幾何尺寸不同，導致不同位置的錨桿（索）變形和載荷不同。為了充分發揮每根個體錨桿（索）的作用， 防止錨桿（索）早期破斷，實現共同協調支護圍岩的作用，個體支護體間也必須達到變形和受力耦合（均壓）。
整體耦合定義為：個體支護體和圍岩間的耦合（讓壓）和支護體和支護體之間的耦合（均壓）。所以整體耦合包括以下幾方面的內容：
（1）錨桿系統和圍岩耦合：錨桿支護系統的支護強度和變形效能必須與圍岩耦合，以達到圍岩的穩定平衡。
（2）錨索系統和圍岩耦合：同樣，錨索系統作為支護的一部分，其變形效能必須與圍岩耦合，以達到圍岩的穩定平衡。
（3）錨桿間的耦合：由於不同位置的錨桿所經受的位移和應力過程不同，其受力差別很大，這有可能引起受力大的錨桿首先破斷，進而把其承載的力傳替到鄰近的錨桿造成錨桿順序依次破斷。
（4）錨桿和錨索的耦合：錨桿和錨索間的變形耦合也非常重要。從支護體本身來講，錨桿和錨索存在著物理力學性質和幾何尺寸的差別，這種差別如果在設計和使用過程中應用不當，會引起錨桿或錨索由於變形協調不好造成受力不均甚至破斷。
一般而言，錨桿與錨索在延伸率、承載能力和支護範圍上存在較大的差別。
延伸率：錨桿的延伸率遠大於錨索的延伸率；
承載能力：錨桿的承載能力遠小於錨索的承載能力；
支護範圍：錨索長度一般來說大於錨桿長度。
（5）表面支護對耦合的影響：合理的表面支護可以在盡量小的設計支護強度下取得最佳的耦合效果。
根據整體耦合讓均壓基本理念，在巷道支護設計中，必須根據具體的地質和採礦條件，對耦合讓均壓引數進行整體設計。包括：錨桿（索）的安裝載荷、圍岩應力－錨桿（索）載荷平衡（最小支護強度）、圍岩變形－錨桿（索）延伸長度耦合（支護體最小延伸長度）、錨桿－錨索間的耦合。
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