摘要：通过对回采巷道围岩力学性质研究，分析其变形破坏因素；依据矿山压力理论，进行回采巷道力学分析；采用理论分析，结合锚杆支护理论，设计回采巷道支护方案及相关参数，设置井下矿压观测站，记录和分析矿压观测结果，掌握试验区域围岩的变形规律，最终确定合理的支护方案：采用了适合软岩巷道的锚杆和锚索组合支护形式。顶锚杆采用Φ20×2400左旋螺纹钢锚杆，间距0.65m，排距0.9m；帮锚杆采用Φ18×1800圆钢锚杆，间排距1×0.9m；帮网和顶网采为菱形金属网。这样既提高了单根锚杆的锚固力，消除或减小了岩体结构变形效应，又增强了围岩整体稳定性。钢筋网增强了初次支护的柔性，既保证软岩最大地发挥其自身支撑能力，又能允许围岩有较大的变形，释放其形变能量，从而实现耦合设计。
南留庄矿回采工作面均为壁式布置、房柱式开采方式，回采巷道支护一直采用U型钢支护。为适应生产的需要，降低生产成本，提高工作效率，将U型钢支护改用锚杆支护。现以1408工作面的回风巷道为试验巷道，进行合理的锚杆支护技术研究。1408工作面回风巷设计断面为矩形，尺寸为2.8m（宽）*2.5m（高），巷道沿顶板掘进，两帮为实体煤。为保证回采巷道的安全和稳定性，结合巷道围岩力学性质，选用锚杆和锚索组合支护形式支护方案。
1、巷道地质概述
1408工作面回风巷道，位于四采区1号煤层，地面标高+1050，煤层标高+815。煤层赋存比较稳定，但结构复杂，一般含1～3层夹石。煤层平均埋深235m，厚度为3～4m，顶板依次为泥岩和砂岩，底板依次为泥岩和白云质岩。单位涌水量0.933L/min，巷道围岩为中等富水性含水层。
2、采巷道围岩变形和稳定性分析
1408回采巷道围岩变形要经历如下三个阶段
（1）巷道掘进影响阶段
（2）巷道掘进影响稳定阶段
（3）采动影响阶段
1408工作面回采巷道稳定性分析
由水对岩石的弱化机理可知，围岩水造成围岩强度等的力学性质显著降低，依据南留庄矿条件，巷道开掘后，造成围岩泄压松弛，原岩应力重新分布，围岩中的裂隙节理面以不同的形式变形、张开或滑移，由于围岩中的水的参与，必将导致围岩变形和破坏的可能性大大增加，这种原因与结果相互作用相互影响、促进，最终引起巷道围岩的变形失稳。
3、工作面回采巷道锚杆支护参数设计
3.1锚杆支护参数初步设计
锚杆支护参数主要包括锚杆直径、长度、锚杆托盘和间、排距等。南留庄矿煤巷顶板大体为层状岩体，易破碎，通过锚杆对围岩强度的强化作用，能在巷道围岩内形成强度较高的承载结构，从而可维护巷道的稳定。据此对加固方案的锚杆参数进行了计算和分析，并用于工程实践。下表是巷道锚杆支护参数取值范围。
工作面两巷锚杆支护参数取值范围
序号 项目 参数取值范围
1 锚杆长度（m） 顶板锚杆 1.61.82.02.22.42.6
两帮锚杆 1.61.82.02.2
2 锚杆间排距（m） 0.60.70.80.91.01.11.21.4
3 顶板、两帮锚杆根数 3334435455
（1）锚杆长度
1）帮锚杆：
L=L1+L2+L3
式中：
L－垂直锚杆长度
L1－锚杆外露长度，取L1＝0.15m
L2－锚杆有效长度，即巷道顶板松动圈的高度。为了减少巷道的维护量，保证回采期间巷道的稳定，简化超前支护，因而选取受采动影响的最大松动圈，即L2＝1.2m
L3－锚杆锚固长度一般为0.3～0.4m，取L3＝0.3m
因此，L＝0.15+1.2+0.3＝1.65m
2）顶锚杆：
L=l1+KH+l3
式中：
L—锚杆长度
l1—锚杆外露长度0.15
K—安全系数取为1.5
H—软弱岩层厚度，均厚1.2m
l3—锚杆锚固长度，取0.6m
因此，L=0.15+1.5*1.2+0.6=2.55m
工程实践经验表明，帮锚杆长度的确定是根据巷道围岩变形规律与帮锚杆长度的关系，随帮锚杆长度增加，巷道围岩变形量减小，帮锚杆长度达到1.8～2.0m时，两帮相对移近量快速减小；对减小顶底板相对移近量也有作用，当帮锚杆长度达到1.8m时，顶底板移近量减小较多；即帮锚杆长度较大时控制围岩变形效果较好；由于顶板岩层属于不稳定岩层，为了有效的提高锚杆加固后岩石的强度、弹性模量、内聚力、和内摩擦角，有效改变围岩的应力状态和应力应变特性。综合考虑，建议选取帮锚杆长度为1800mm和顶锚杆长度2400mm。
（2）锚杆托盘
锚杆托盘选择把握两个原则：
1）要满足锚杆托盘与锚杆杆体在强度上的匹配，避免因为锚杆托盘的强度不够而造成锚杆穿孔现象；
2）要满足锚杆托盘与锚杆杆体在支护结构上的匹配，避免因锚杆杆体与托盘在支护结构上的不配而造成锚杆杆体及螺母受力不均，影响巷道的支护效果。
3.2支护参数确定
根据地质条件、巷道断面尺寸、施工条件和生产技术条件，结合上述分析，初步确定顶锚杆采用螺纹钢锚杆，顶锚杆采用Φ20×2400左旋螺纹钢锚杆，间距0.65m，排距0.9m；帮锚杆采用Φ18×1800圆钢锚杆，间排距1×0.9m；帮网和顶网采为菱形金属网。托盘采用120mm*120mm*8mm和150mm*150mm*5mm铁托盘。如果巷道出现底臌现象时还应该在帮底补打锚杆，其参数根据现场情况可适当修正。
4、工作面回采巷道淋水、断层地段合理支护技术
4.1回采巷道断层地段支护方案
在1408回风巷的掘进过程中，可能揭露勘探报告中提及的SF6断层，断层附近的岩层受地质作用的影响，变得很不稳定，因此，要获得理想的支护效果，就必须加大锚杆的支护密度，增加锚索支护，使岩层能够保持最大程度的完整性。在岩层稳定性最差处加大锚索的锚深，以强化局部锚索的悬吊作用；在巷道顶、帮部加挂网片，使网片与锚杆形成一个支护整体，有效地控制巷帮的变形。为避免淋水、风化再度降低巷道围岩强度，可在巷道顶帮喷射混凝土封闭围岩，防止围岩强度急剧下降。经过喷浆处理的断层附近岩体，混凝土层与锚杆、网片可以形成一个强度足够的支护整体，从而达到很好的支护效果。
4.2回采巷道淋水段支护方案
从地质探测可知，1408工作面距离奥灰水和第四系含水层的距离相对较远，正常地质条件下对回采巷道影响不大，但遇到顶板破碎、断层等地质构造时，裂隙、节理发育，奥灰水和第四系含水层可能沿断层、裂隙导入。因此，在巷道破碎或断层地段易发生淋水，导致锚固性能急剧降低，影响支护质量。针对南留庄煤矿1号煤层地质特征，淋水段支护技术除要参考断层段支护技术外，还要注意以下几个方面。
（1）做好掘进工作。掘进过程中必须备好排水泵和排水管路，并随掘进同时跟进迎头，掘至断层附近时必须“先探后掘”。
（2）封堵。使用超前注浆技术，封堵淋头水来源，可以使用锚注支护技术，采用单液或双液注浆系统，使用高水材料、水玻璃和水泥浆等。
（3）合理的锚杆支护参数。
（4）使用加宽、加厚的W钢带作为组合构件。
（5）组合锚索支护技术，组合锚索支护：使用支护构件将两根或多根锚索连接成一体，形成锚索组合支护系统，提高支护体系的支撑能力。组合锚索在巷道顶部的岩层内形成桁架方式，通过对锚索施加预紧力，增加岩体之间的内摩擦力从而提高围岩的自承载能力
5、结束语
对1408工作面回风巷道的锚杆支护研究，不但有效改善了矿区回采巷道的围岩状况，提供了安全的生产环境，提高了工作效率，还减少了U型钢材料的使用和巷道维护费用，减小了工人的劳动强度，为煤炭工业带来更大的经济效益和社会效益，具有广阔的推广应用前景。
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