煤矿工作面回风顺槽支护方案设计

煤矿工作面回风顺槽支护方案设计煤矿北三16404工作面回风顺槽支护方案设计某煤矿16401工作面顺槽采用锚杆和金属网进行一次支护，采用U型钢棚进行二次支护，但在回采过程中U型棚回撤困难，同时巷道维护效果不好，需要补打锚索进行补强。

为此矿上决定在16404工作面取消U型钢棚支护，采用锚网和锚索进行支护。

捷马公司的技术人员在矿上及公司生产处有关人员的带领下，分两次对井下北三16404工作面及16401工作面顺槽的支护现状进行了调研，结合矿上的有关资料，捷马公司对井下支护现状进行评价，同时将对北三16404工作面回风顺槽提出支护方案建议，供矿方参考，以达到在掘进和回采中安全、经济、快速的目的。

本报告包括以下内容：（1）地质及采矿条件概况（2）原有支护方式及存在的问题分析（3）16404工作面回风顺槽锚网支护思路及改进的主要参数（4）整体耦合让均压支护理念（5）支护方案及支护参数的确定（6）试验前的准备工作（7）现场支护观测及评价1 地质及采矿条件概况北三16404工作面位于北三采区，井下位置在北一采煤柱与北三煤柱之间，距16402工作面运输顺槽80米。

16402工作面现正在回采中。

16404工作面所采煤层为16煤层。

16煤层共分为4层煤，其中16-4煤层平均厚度为3.05m，倾角为8～18°，煤层硬度系数f=1.5，煤层层理及节理发育。

煤层顶底板情况如下表所示。

表1 巷道顶底板情况表16404工作面回风顺槽沿16-4煤层底板进行掘进，巷道断面设计采用矩形断面进行设计，巷道设计宽为4200mm，高为3500mm。

16404工作面回风顺槽具有如下特点：（1）巷道采用矩形断面，可以解决拱形断面回采时遇到的超前支护问题。

（2）围岩节理层理发育。

（3）巷道主要受工作面超前支撑压力的影响。

2原有支护方式及存在的问题分析2.1原有支护方式传统工作面回风顺槽设计采用锚杆+金属网+U型钢棚，巷道采用半圆拱形。

锚杆参数锚杆：Φ18×2000mm圆钢锚杆托板：150×150mm梯子梁：四孔型Φ14×2800×100mm金属网：1200×5000mm树脂药卷：S2360、Z2360U棚规格29kg/m U型钢2.2 存在的问题及分析根据井下观察，目前支护存在着锚杆支护主动效果差，锚杆和锚索支护无法达到耦合状态，护表效果差等问题，而且巷道支护成本高，很难保证目前支护能够满足回采的需要。

（1）锚杆工作状态初期支护：安装应力没有明确要求，安装扭矩与安装应力的关系不明确，虽然对安装扭矩有要求，但从现场情况看，很多锚杆托盘没有紧贴岩面，安装应力很小甚至为0，锚杆无法真正起到主动支护的作用。

后期受力：锚杆受力不明显，很多锚杆随着围岩的变形一起变形，造成围岩表面破碎。

虽然锚杆杆体的直径及强度较大，但锚杆对围岩的支护力却很小，造成锚杆与围岩的变形及受力不耦合，锚杆没有起到应有的支护作用，造成锚杆失效。

锚杆产品质量：所用的托盘、螺母与杆体强度不匹配，无法保证锚杆在受力时充分发挥杆体的作用，在很多情况下是由于托盘和螺母的强度达不到要求造成锚杆后期失效。

（3）护表效果表面支护主要是由托盘、金属网背板木材组成。

托盘的强度及大小必须与锚杆杆体的强度相匹配，充分发挥锚杆的作用；金属网必须保证能够适应围岩的变形需要；（4）U型钢棚子支架16401工作面顺槽二次支护方式为U型钢棚子支护，很明显，U型钢棚子支护效果不尽人意，存在的问题比较多：●架设时很难接顶，受力不均，在巷道围岩产生大量破坏变形之前，基本上载荷很小，起不到支护作用。

●在工作面支撑压力影响区，U型钢支架在煤壁前方需要撤腿，在撤腿过程中引起顶板下沉严重，巷道高度减小，严重影响巷道的使用。

●由于巷道是半圆形，端头支护在∏型梁和拱之间需要打木垛。

●U型钢本应在超前支撑压力范围内支护巷道，但由于替腿和换梁，U型钢完全失去支护作用，而且需要花费大量人工回收。

●端头支架和顺槽U型棚无法配合，造成端头支护非常困难，已经成为制约工作面推进的主要因素。

U型钢棚子运输及安装不方便，从经济方面无法与锚网支护相比。

（5）围岩及变形情况总体来讲，在不受超前影响之前，巷道变形在目前的支护方式下变形不大，然而在受到支撑压力影响后，巷道围岩破碎，顶板下沉量大。

这一方面是锚杆支护系统存在问题，另一方面替棚换梁造成U型棚在超前支撑压力去完全失去作用。

当然目前的端头支架不配套也是主要问题之一。

3 16404工作面顺槽支护思路及改进的主要参数3.1支护思路16401工作面顺槽目前采用锚网+U型钢支架进行支护，安装U型钢支架的主要作用一是对围岩进行补强支护，二是对工作面进行超前支护，适应回采的需要。

然而通过井下观察，在受支撑压力之前，围岩的变形并不明显，U型棚没有起到支护的作用；而且在受支撑压力之后，由于巷道断面是半圆拱断面，在∏型梁与U型钢支架之间需要架设木垛，端头支架无法与U型钢配合，支架回撤困难，影响工作面回采，U型钢支架没有真正起到超前支护的作用。

根据上面的分析，U型钢既没起到支护的作用，也没起到超前支护的作用，而且回撤存在很多问题，因此取消U型钢支架不可避免；拱形断面对回采工作面端头支护及超前支护影响较大。

因此，16404工作面回风顺槽支护思路如下：（1）根据目前的条件，能否取消U型钢支架。

（2）拱形断面不利于巷道超前支护以及端头支护，能否变拱形断面为矩形断面。

（3）根据上面的分析，目前支护的重点是如何保证在矩形断面条件下采用锚网支护一次性支护成功。

根据目前锚网支护技术的发展，现有的支护技术完全能够保证矩形巷道条件下围岩的稳定。

针对某煤矿存在的问题，为了实现锚网支护一次成功的目标，必须对目前支护系统进行改进。

在目前的支护水平条件下，根据长期的支护经验，只要设计合理，产品质量得到保证，施工管理满足要求，实现矩形巷道取消U 型钢支架是完全可行的。

巷道支护主要包括支护设计、支护产品以及现场施工和观测，因此，这就需要对巷道进行有针对性的支护设计，采用满足设计要求的支护产品，制定检验标准及矿压观测标准保证井下施工质量，并为修改支护参数提供依据。

支护设计：针对巷道的地质条件和采矿特点进行分析，有针对性的提出支护的重点；对安装应力进行支护设计，以保证锚杆的主动支护效果，充分调动围岩的承载能力；对锚杆锚索进行耦合支护设计，使锚杆锚索和围岩从应力和变形两个方面达到耦合状态；对支护系统进行整体设计，尽量使围岩保持整体状态。

支护产品：所选用的产品从产品性能来讲必须满足设计要求；支护产品的配件（托盘、螺母、垫圈、索具、让均压装置）等必须满足锚杆杆体或者钢绞线的强度及变形要求。

现场施工：为保证施工质量，必须制定施工标准，同时要对工人进行施工培训，保证锚杆锚索能够满足设计的要求；同时为保证支护系统能够满足设计的需要，需对井下施工巷道进行矿压观测和评价，为支护参数的修改提供依据。

3.2 改进的主要参数根据上面的分析，16404工作面回风顺槽锚网支护的重点是变二次支护为一次支护，取消棚子支护。

因此16404工作面回风顺槽锚网支护需要改进的主要参数有以下几个方面：（1）安装时初期支护参数的设计：必须解决初次支护系统失效问题。

初次支护系统的锚杆，锚索的长度和布置需要调整。

（2）后期支护参数的设计：锚杆，锚索的耦合均压支护共同支护顶板。

尽最大能力提高支护系统的效率，同时防止锚杆锚索破断。

（3）表面支护问题。

（4）锚杆、锚索与围岩之间变形耦合问题。

（5）支护产品的性能和质量。

（6）施工标准及检验标准的建立。

（7）矿压观测及评价。

4 整体耦合让均压支护理念4.1耦合让均压的概念在巷道稳定控制中，锚杆支护的最基本点是通过锚杆支护系统对围岩施加主动力实现早期主动支护以增加围岩的强度和承载能力。

实现锚杆支护系统与围岩共同作用保持围岩的稳定性。

根据弹塑性力学基本原理，所谓耦合的概念对一个单独的支护体相对围岩来讲就是在保证围岩稳定的条件下，支护体（锚杆或索）和围岩间必须达到围岩应力－锚杆载荷平衡（应力耦合），围岩位移－锚杆变形协调（变形耦合）。

为了保证围岩稳定性和防止锚杆（索）破断，锚杆（索）支护设计必须满足下列条件：（1）足够的安装载荷以保证及时主动支护。

（2）适宜的支护强度以保证锚杆（索）和围岩间的应力载荷平衡（应力-载荷耦合）。

（3）围岩表面位移满足围岩稳定性要求。

（4）足够的延伸距离以保证锚杆（索）和围岩间的变形协调（变形耦合）。

4.2整体耦合让均压设计理念巷道锚杆（索）支护是按一定设计的间排距由数根锚杆（索）组成。

由于沿巷道周边变形大小不一，锚杆和锚索物理力学性质和几何尺寸不同，导致不同位置的锚杆（索）变形和载荷不同。

为了充分发挥每根个体锚杆（索）的作用，防止锚杆（索）早期破断，实现共同协调支护围岩的作用，个体支护体间也必须达到变形和受力耦合（均压）。

整体耦合定义为：个体支护体和围岩间的耦合（让压）和支护体和支护体之间的耦合（均压）。

所以整体耦合包括以下几方面的内容：（1）锚杆系统和围岩耦合：锚杆支护系统的支护强度和变形性能必须与围岩耦合，以达到围岩的稳定平衡。

（2）锚索系统和围岩耦合：同样，锚索系统作为支护的一部分，其变形性能必须与围岩耦合，以达到围岩的稳定平衡。

（3）锚杆间的耦合：由于不同位置的锚杆所经受的位移和应力过程不同，其受力差别很大，这有可能引起受力大的锚杆首先破断，进而把其承载的力传替到邻近的锚杆造成锚杆顺序依次破断。

（4）锚杆和锚索的耦合：锚杆和锚索间的变形耦合也非常重要。

从支护体本身来讲，锚杆和锚索存在着物理力学性质和几何尺寸的差别，这种差别如果在设计和使用过程中应用不当，会引起锚杆或锚索由于变形协调不好造成受力不均甚至破断。

一般而言，锚杆与锚索在延伸率、承载能力和支护范围上存在较大的差别。

延伸率：锚杆的延伸率远大于锚索的延伸率；承载能力：锚杆的承载能力远小于锚索的承载能力；支护范围：锚索长度一般来说大于锚杆长度。

（5）表面支护对耦合的影响：合理的表面支护可以在尽量小的设计支护强度下取得最佳的耦合效果。

4.3整体耦合让均压参数确定方法根据整体耦合让均压基本理念，在巷道支护设计中，必须根据具体的地质和采矿条件，对耦合让均压参数进行整体设计。

包括：锚杆（索）的安装载荷、围岩应力－锚杆（索）载荷平衡（最小支护强度）、围岩变形－锚杆（索）延伸长度耦合（支护体最小延伸长度）、锚杆－锚索间的耦合。

4.3.1锚杆的安装应力锚杆的安装应力是控制围岩早期变形的重要参数，是主动及时支护的源泉。

安装应力过小会使围岩发生过大的早期变形，松散破碎圈增大，引起顶板破碎，巷道变形增加。

安装应力的主要作用有：（1）压实浮岩、浮煤、金属网和钢带等，减少围岩的早期变形量，使得锚杆支护能够起到早期主动支护的作用。