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[摘 要]针对色连二矿弱胶结富水软岩巷道锚杆、锚索支护密集，锚索的锚固力低等问题，以色连二矿12309运输巷为工程背景，通过对工程地质条件的综合分析，提出了锚索锚固力增强技术，并借助数值模拟对该巷道锚索网支护参数进行了优化设计。工业性试验结果表明，采用新的支护方案后，巷道围岩变形不仅可以得到有效地控制，而且巷道施工速度提高，支护成本降低，说明优化后确定的锚网支护参数是经济、可靠的。
[关键词]富水；软岩；弱胶结；支护参数；优化設计
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0019-02
[Abstract]According to the problem that the anchor cable support of watery roadway with watery weakly consolidated soft rock was dense while the anchoring force was low in Color mine. Transport roadway No.12309 in Color mine was taken as engineering background， the technology for increasing anchoring force was provided by the comprehensive analysis of engineering geological conditions， the design of anchor cable mesh support was optimized with the help of numerical simulation. The result of practical experimentation indicates that not only the deformation of roadway surrounding rock can be effectively controlled， but also the roadway construction speed was increased， the cost of support has been reduced. The optimized support parameter was economical and reliable.
[Key words]watery； soft rock； weakly consolidated； support parameter； optimum design.
由于受地质环境影响，弱胶结地层在我国西部矿区广泛存在[1-2]，弱胶结软岩巷道由于岩体胶结性差，强度低，结构松散[3-4] ，在进行锚杆、锚索锚固时，常造成锚杆特别是锚索的锚固力偏低。在巷道围岩富水的情况下，弱胶结围岩遇水易泥化、砂化，难锚固特点更为突出[5-6]。为了保证巷道安全，对于弱胶结富水巷道，一些煤矿片面缩少锚杆锚索间排距，从而造成锚杆支护设计过于保守，造成采掘接替紧张和人力物力浪费。本文以色连二矿12309运输巷为工程背景，通过对工程地质条件的综合分析，提出了锚索锚固力增强技术，并借助数值模拟对该巷道锚索网支护参数进行了优化设计，确定更为合理的支护参数。优化方案重点是在提高锚索锚固力的前提下，降低锚杆锚索的支护密度，以充分发挥锚索的深部锚固作用。为了及时掌握优化方案的支护效果，对巷道表面位移和顶板离层量进行了跟踪监测。监测结果表明，优化后的支护设计是可行的，参数选取是合理的。优化方案在确保巷道稳定的同时，提高了巷道的施工速度，降低了巷道支护成本。
1 工程地质概况
12309工作面位于矿井一水平、二盘区，为3-1煤层首采工作面。该面东起3-1煤层回风大巷，西至矿井边界煤柱线，南侧至5勘探线，北侧靠近天然气厂及天然气管路保护煤柱。工作面标高为+1421～+1500m，地面标高+1095～+1150m，工作面走向长240m，倾斜长2804m。工作面所在3-1煤层厚度变化较大，东部及中部煤厚正常为1.6～1.8m；西部靠近切眼处煤层较厚，为1.96～2.88m，煤层裂隙发育。顶底板岩性：该面直接顶为砂质泥岩，灰色，裂隙发育，有时含1-2层煤线，平均厚1.0m；老顶为中砂岩，灰白色，胶结差，且富水，平均厚7m；直接底为砂质泥岩，灰色，裂隙发育，有时含1-3层煤线，平均厚3m。
2 巷道初始支护方案及技术分析
2.1 巷道初始支护方案
12309运输巷断面形状为矩形，巷道净宽为5m、净高2.8m。根据12309运输巷顶、底板条件，通过工程类比确定12309运输巷采用锚索网联合支护方式。巷道顶板采用δ5×178×4800mm的W型钢带，5500×1000mm的10#菱形金属网和6根Φ20×2500mm左旋螺纹钢锚杆支护。锚杆间排距880×800mm，锚杆锚固力不低于120KN，锚杆预紧力矩不低于120Nm；顶板锚索采用槽钢组合“3-0”布置（间排距1300×1600mm），槽钢梁为长3m的12#槽钢，锚索规格Φ17.8×7300mm，锚索锚固力不低于250KN；巷帮采用Φ10×2600×80mm的钢筋梯子梁，2800×1000mm的10#菱形金属网和4根锚杆支护（间排距750×800mm），其中工作面侧帮为玻璃钢锚杆（规格Φ20×2000mm），非采煤侧帮为金属锚杆（规格Φ18×2000mm），巷帮金属锚杆锚固力不低于100KN，巷帮玻璃钢锚杆锚固力不低于80KN，巷帮金属锚杆预紧力矩不低于100Nm，巷帮玻璃钢锚杆预紧力矩不低于60Nm。
2.2 巷道初始支护技术分析
针对12309运输巷采用的初始支护方案，进行了巷道围岩表面位移、顶板离层、锚杆锚索受力及其锚固力等参数监测。矿压观测结果表明，采用初始支护方案试验段巷道顶板下沉量一般为10～25mm，两帮移近量一般为35～55mm，顶板浅部（锚杆锚固范围）岩层离层量一般为5～15mm，顶板深部（锚索锚固范围）岩层离层量一般为0～5mm，锚杆锚固力均大于120KN，锚索锚固力一般为90～120 KN（低于设计锚固力），且锚杆锚索安装后载荷增幅较小。上述现象说明，虽然该巷道锚索锚固力低，且片帮现象严重，但该巷道矿压显现不明显，巷道围岩稳定，支护参数有一定富裕。 3 巷道支护参数优化设计
3.1 支护参数优化原则
针对12309运输巷锚索网初始支护方案存在的问题，在该巷进行锚索网支护参数优化时应遵循以下原则：
1）采用锚索锚固力增强技术提高锚索的锚固力。由于12309运输巷顶板为富水弱胶结软岩，岩体不仅强度低，而且胶结程度差，结构松散，在淋水情况下还易出现砂泥化现象，因此在初始支护阶段顶板锚索常出现失锚或锚索锚固力达不到设计要求现象，为了解决这一问题，我们引进了一种可提高锚固力的锚索[7]。该锚索包括锚索索体、锁具和托板，其特征是：在距锚索内锚端300～400mm处设有铁丝搅拌筋，在距锚索内锚端1400mm～1600mm位置设有橡胶挡环。采用该锚索不仅可提高树脂药卷的搅拌效果，而且还可防止树脂药卷下垂，从而实现锚索有效锚固。
2）要制定超前探放水措施。因为水使得岩石的抗拉强度降低，导致围岩的整体稳定性下降，施工中冒顶、片帮事故频发；同时水的不断渗流，造成了锚杆索的缓慢锈蚀、锚固力的逐渐削弱，为突发性的冒顶、片帮埋下隐患。因此，无论是着眼于目前的巷道施工，还是顾及后期的巷道维护及工作面开采的安全，“治水”都是必不可少的措施。
3.2 支护参数优化方案
12309运输巷采用初始支护方案.巷道围岩变形不大，但锚杆锚索支护较密集，成本高，不仅影响成巷速度，而且在经济上也不合理。根据支护参数优化的原则，通过数值模拟不同锚杆锚索间排距对巷道围岩应力和位移的影响，并进行多方案的比较，最后确定较合理的支护参数为：顶板锚杆间排距为880×1000mm，锚杆规格Φ20×2500mm，锚杆钻孔直径Φ30mm，每孔2卷Z2360樹脂药卷，锚杆锚固力不低于120KN，锚杆初始预紧力矩不低于200Nm；顶板锚索间排距为1300×2000mm，锚索规格Φ17.8×7300mm（采用锚索锚固力增强技术措施），锚索钻孔直径Φ28mm，每孔3卷Z2360树脂药卷，锚索锚固力不低于250KN，锚杆预紧力矩不低于120KN；巷帮锚杆间排距为1000×1000mm，其中工作面帮为玻璃钢锚杆（规格Φ20×2000mm），非采煤帮为金属锚杆（规格Φ18×2000mm），巷帮金属锚杆锚固力不低于100KN，巷帮玻璃钢锚杆锚固力不低于80KN，巷帮金属锚杆预紧力矩不低于120Nm，巷帮玻璃钢锚杆预紧力矩不低于80Nm，砼地坪厚250mm（图1）。
按锚索网支护参数优化方案进行色连二矿12309运输巷支护，其数值模拟结果见表1、表2和图2所示。
由表1、表2和图2可以看出，巷道顶板下沉量为22mm，底鼓量为45mm，采煤帮变形量为25mm，非采煤帮变形量为18mm，说明巷道围岩在优化方案支护下顶底板和两帮位移量均得到了较好控制；从巷道围岩应力分布状况来看，垂直应力峰值为12.4MPa，水平应力峰值为7.7MPa，垂直应力峰值出现在距巷帮边缘3.4m位置处，水平应力峰值位于巷道底板，距巷道底板表面5.6m，巷道周边没有出现拉应力区，说明优化方案改善了巷道围岩的应力环境，有利于巷道围岩控制。
4 工程实践
按照锚索网支护优化方案在色连二矿12309运输巷进行了工程实践，为了检验优化方案在弱胶结富水软岩巷道的支护效果，在巷道掘进和回采的同时，我们对巷道围岩表面位移进行了观测。图3和图4分别为掘进和工作面回采期间巷道围岩表面位移变化曲线。由图3（因顶板淋水，底板点不便设置，所以未观测底鼓量）可以看出，巷道揭露后，巷道顶板下沉及两帮移近较快，在巷道揭露12d左右，围岩变形速度逐渐变慢，巷道揭露15d后，巷道围岩变形已基本趋于稳定，在近两个月观测时间内巷道顶板下沉量为24mm，两帮移近量为48mm，表明掘进期间巷道围岩控制效果较好；回采期间，巷道受工作面超前支承压力影响范围为40～50m，剧烈影响范围为20～25m，回采期间不仅工作面端头出口位置顶板随采随冒，而且在工作面支承压力影响范围内，巷道顶底板累计移近量仅为90～95mm，两帮累计移近量仅为100～110mm，说明优化方案能够满足工作面安全回采需要。
5 结论
1）提高锚索的锚固力不仅有利于锚索网支护结构在巷道顶板岩层中形成有效的承载结构，而且也可以降低锚杆锚索的支护密度，说明提高锚索的锚固力是弱胶结软岩巷道锚索网支护参数优化的前提；
2）针对初始锚索网支护技术方案对巷道进行矿压实测及技术分析.为选择经济合理的支护参数及方案设计奠定了基础；
3）通过数值模拟分析，相比初始锚索网支护方案，以提高锚索锚固力为基础的锚索网支护优化方案，不仅可以充分调动深部围岩的承载能力，实现巷道围岩的有效控制，而且还可以降低支护成本，加快成巷速度。
参考文献
[1] 姚直书，程桦，荣传新.西部地区深基岩冻结井筒井壁结构设计与优化[J].煤炭学报，2010，35（5）：760～764.
[2] 何满潮，孙晓明.中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南[M].北京：科学出版社，2004：87～90.
[3] 杨张杰，徐冰峰.复合顶板回采巷道钢带锚网支护的实践[J].江西煤炭科技，1999（4）：27-29.
[4] 姚强岭.富水巷道顶板强度弱化机理及其控制研究[D].徐州：中国矿业大学，2011：5～6.
[5] 李廷春，卢 振，刘建章，等.泥化弱胶结软岩地层中矩形巷道的变形破坏过程分析[J].岩土力学，2014，35（4）：1077～1083.
[6] 王云博，景继东，张德泉，等.弱胶结软岩巷道变形破坏控制技术及其应用[J].煤矿开采，2014，19（2）：53～57.
[7] 唐永志，杨张杰，郑 群，等.一种可提高锚固力的锚索：中国，ZL 2014 2 0630041.4 [P].2015-02-18.
作者简介
丁晶（1982-），男，工程师，2004年毕业于太原理工大学资源勘查专业，现工作于淮矿西部煤矿投资管理有限公司生产技术部，正科级干事。
[关键词]富水；软岩；弱胶结；支护参数；优化設计
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0019-02
[Abstract]According to the problem that the anchor cable support of watery roadway with watery weakly consolidated soft rock was dense while the anchoring force was low in Color mine. Transport roadway No.12309 in Color mine was taken as engineering background， the technology for increasing anchoring force was provided by the comprehensive analysis of engineering geological conditions， the design of anchor cable mesh support was optimized with the help of numerical simulation. The result of practical experimentation indicates that not only the deformation of roadway surrounding rock can be effectively controlled， but also the roadway construction speed was increased， the cost of support has been reduced. The optimized support parameter was economical and reliable.
[Key words]watery； soft rock； weakly consolidated； support parameter； optimum design.
由于受地质环境影响，弱胶结地层在我国西部矿区广泛存在[1-2]，弱胶结软岩巷道由于岩体胶结性差，强度低，结构松散[3-4] ，在进行锚杆、锚索锚固时，常造成锚杆特别是锚索的锚固力偏低。在巷道围岩富水的情况下，弱胶结围岩遇水易泥化、砂化，难锚固特点更为突出[5-6]。为了保证巷道安全，对于弱胶结富水巷道，一些煤矿片面缩少锚杆锚索间排距，从而造成锚杆支护设计过于保守，造成采掘接替紧张和人力物力浪费。本文以色连二矿12309运输巷为工程背景，通过对工程地质条件的综合分析，提出了锚索锚固力增强技术，并借助数值模拟对该巷道锚索网支护参数进行了优化设计，确定更为合理的支护参数。优化方案重点是在提高锚索锚固力的前提下，降低锚杆锚索的支护密度，以充分发挥锚索的深部锚固作用。为了及时掌握优化方案的支护效果，对巷道表面位移和顶板离层量进行了跟踪监测。监测结果表明，优化后的支护设计是可行的，参数选取是合理的。优化方案在确保巷道稳定的同时，提高了巷道的施工速度，降低了巷道支护成本。
1 工程地质概况
12309工作面位于矿井一水平、二盘区，为3-1煤层首采工作面。该面东起3-1煤层回风大巷，西至矿井边界煤柱线，南侧至5勘探线，北侧靠近天然气厂及天然气管路保护煤柱。工作面标高为+1421～+1500m，地面标高+1095～+1150m，工作面走向长240m，倾斜长2804m。工作面所在3-1煤层厚度变化较大，东部及中部煤厚正常为1.6～1.8m；西部靠近切眼处煤层较厚，为1.96～2.88m，煤层裂隙发育。顶底板岩性：该面直接顶为砂质泥岩，灰色，裂隙发育，有时含1-2层煤线，平均厚1.0m；老顶为中砂岩，灰白色，胶结差，且富水，平均厚7m；直接底为砂质泥岩，灰色，裂隙发育，有时含1-3层煤线，平均厚3m。
2 巷道初始支护方案及技术分析
2.1 巷道初始支护方案
12309运输巷断面形状为矩形，巷道净宽为5m、净高2.8m。根据12309运输巷顶、底板条件，通过工程类比确定12309运输巷采用锚索网联合支护方式。巷道顶板采用δ5×178×4800mm的W型钢带，5500×1000mm的10#菱形金属网和6根Φ20×2500mm左旋螺纹钢锚杆支护。锚杆间排距880×800mm，锚杆锚固力不低于120KN，锚杆预紧力矩不低于120Nm；顶板锚索采用槽钢组合“3-0”布置（间排距1300×1600mm），槽钢梁为长3m的12#槽钢，锚索规格Φ17.8×7300mm，锚索锚固力不低于250KN；巷帮采用Φ10×2600×80mm的钢筋梯子梁，2800×1000mm的10#菱形金属网和4根锚杆支护（间排距750×800mm），其中工作面侧帮为玻璃钢锚杆（规格Φ20×2000mm），非采煤侧帮为金属锚杆（规格Φ18×2000mm），巷帮金属锚杆锚固力不低于100KN，巷帮玻璃钢锚杆锚固力不低于80KN，巷帮金属锚杆预紧力矩不低于100Nm，巷帮玻璃钢锚杆预紧力矩不低于60Nm。
2.2 巷道初始支护技术分析
针对12309运输巷采用的初始支护方案，进行了巷道围岩表面位移、顶板离层、锚杆锚索受力及其锚固力等参数监测。矿压观测结果表明，采用初始支护方案试验段巷道顶板下沉量一般为10～25mm，两帮移近量一般为35～55mm，顶板浅部（锚杆锚固范围）岩层离层量一般为5～15mm，顶板深部（锚索锚固范围）岩层离层量一般为0～5mm，锚杆锚固力均大于120KN，锚索锚固力一般为90～120 KN（低于设计锚固力），且锚杆锚索安装后载荷增幅较小。上述现象说明，虽然该巷道锚索锚固力低，且片帮现象严重，但该巷道矿压显现不明显，巷道围岩稳定，支护参数有一定富裕。 3 巷道支护参数优化设计
3.1 支护参数优化原则
针对12309运输巷锚索网初始支护方案存在的问题，在该巷进行锚索网支护参数优化时应遵循以下原则：
1）采用锚索锚固力增强技术提高锚索的锚固力。由于12309运输巷顶板为富水弱胶结软岩，岩体不仅强度低，而且胶结程度差，结构松散，在淋水情况下还易出现砂泥化现象，因此在初始支护阶段顶板锚索常出现失锚或锚索锚固力达不到设计要求现象，为了解决这一问题，我们引进了一种可提高锚固力的锚索[7]。该锚索包括锚索索体、锁具和托板，其特征是：在距锚索内锚端300～400mm处设有铁丝搅拌筋，在距锚索内锚端1400mm～1600mm位置设有橡胶挡环。采用该锚索不仅可提高树脂药卷的搅拌效果，而且还可防止树脂药卷下垂，从而实现锚索有效锚固。
2）要制定超前探放水措施。因为水使得岩石的抗拉强度降低，导致围岩的整体稳定性下降，施工中冒顶、片帮事故频发；同时水的不断渗流，造成了锚杆索的缓慢锈蚀、锚固力的逐渐削弱，为突发性的冒顶、片帮埋下隐患。因此，无论是着眼于目前的巷道施工，还是顾及后期的巷道维护及工作面开采的安全，“治水”都是必不可少的措施。
3.2 支护参数优化方案
12309运输巷采用初始支护方案.巷道围岩变形不大，但锚杆锚索支护较密集，成本高，不仅影响成巷速度，而且在经济上也不合理。根据支护参数优化的原则，通过数值模拟不同锚杆锚索间排距对巷道围岩应力和位移的影响，并进行多方案的比较，最后确定较合理的支护参数为：顶板锚杆间排距为880×1000mm，锚杆规格Φ20×2500mm，锚杆钻孔直径Φ30mm，每孔2卷Z2360樹脂药卷，锚杆锚固力不低于120KN，锚杆初始预紧力矩不低于200Nm；顶板锚索间排距为1300×2000mm，锚索规格Φ17.8×7300mm（采用锚索锚固力增强技术措施），锚索钻孔直径Φ28mm，每孔3卷Z2360树脂药卷，锚索锚固力不低于250KN，锚杆预紧力矩不低于120KN；巷帮锚杆间排距为1000×1000mm，其中工作面帮为玻璃钢锚杆（规格Φ20×2000mm），非采煤帮为金属锚杆（规格Φ18×2000mm），巷帮金属锚杆锚固力不低于100KN，巷帮玻璃钢锚杆锚固力不低于80KN，巷帮金属锚杆预紧力矩不低于120Nm，巷帮玻璃钢锚杆预紧力矩不低于80Nm，砼地坪厚250mm（图1）。
按锚索网支护参数优化方案进行色连二矿12309运输巷支护，其数值模拟结果见表1、表2和图2所示。
由表1、表2和图2可以看出，巷道顶板下沉量为22mm，底鼓量为45mm，采煤帮变形量为25mm，非采煤帮变形量为18mm，说明巷道围岩在优化方案支护下顶底板和两帮位移量均得到了较好控制；从巷道围岩应力分布状况来看，垂直应力峰值为12.4MPa，水平应力峰值为7.7MPa，垂直应力峰值出现在距巷帮边缘3.4m位置处，水平应力峰值位于巷道底板，距巷道底板表面5.6m，巷道周边没有出现拉应力区，说明优化方案改善了巷道围岩的应力环境，有利于巷道围岩控制。
4 工程实践
按照锚索网支护优化方案在色连二矿12309运输巷进行了工程实践，为了检验优化方案在弱胶结富水软岩巷道的支护效果，在巷道掘进和回采的同时，我们对巷道围岩表面位移进行了观测。图3和图4分别为掘进和工作面回采期间巷道围岩表面位移变化曲线。由图3（因顶板淋水，底板点不便设置，所以未观测底鼓量）可以看出，巷道揭露后，巷道顶板下沉及两帮移近较快，在巷道揭露12d左右，围岩变形速度逐渐变慢，巷道揭露15d后，巷道围岩变形已基本趋于稳定，在近两个月观测时间内巷道顶板下沉量为24mm，两帮移近量为48mm，表明掘进期间巷道围岩控制效果较好；回采期间，巷道受工作面超前支承压力影响范围为40～50m，剧烈影响范围为20～25m，回采期间不仅工作面端头出口位置顶板随采随冒，而且在工作面支承压力影响范围内，巷道顶底板累计移近量仅为90～95mm，两帮累计移近量仅为100～110mm，说明优化方案能够满足工作面安全回采需要。
5 结论
1）提高锚索的锚固力不仅有利于锚索网支护结构在巷道顶板岩层中形成有效的承载结构，而且也可以降低锚杆锚索的支护密度，说明提高锚索的锚固力是弱胶结软岩巷道锚索网支护参数优化的前提；
2）针对初始锚索网支护技术方案对巷道进行矿压实测及技术分析.为选择经济合理的支护参数及方案设计奠定了基础；
3）通过数值模拟分析，相比初始锚索网支护方案，以提高锚索锚固力为基础的锚索网支护优化方案，不仅可以充分调动深部围岩的承载能力，实现巷道围岩的有效控制，而且还可以降低支护成本，加快成巷速度。
参考文献
[1] 姚直书，程桦，荣传新.西部地区深基岩冻结井筒井壁结构设计与优化[J].煤炭学报，2010，35（5）：760～764.
[2] 何满潮，孙晓明.中国煤矿软岩巷道工程支护设计与施工指南[M].北京：科学出版社，2004：87～90.
[3] 杨张杰，徐冰峰.复合顶板回采巷道钢带锚网支护的实践[J].江西煤炭科技，1999（4）：27-29.
[4] 姚强岭.富水巷道顶板强度弱化机理及其控制研究[D].徐州：中国矿业大学，2011：5～6.
[5] 李廷春，卢 振，刘建章，等.泥化弱胶结软岩地层中矩形巷道的变形破坏过程分析[J].岩土力学，2014，35（4）：1077～1083.
[6] 王云博，景继东，张德泉，等.弱胶结软岩巷道变形破坏控制技术及其应用[J].煤矿开采，2014，19（2）：53～57.
[7] 唐永志，杨张杰，郑 群，等.一种可提高锚固力的锚索：中国，ZL 2014 2 0630041.4 [P].2015-02-18.
作者简介
丁晶（1982-），男，工程师，2004年毕业于太原理工大学资源勘查专业，现工作于淮矿西部煤矿投资管理有限公司生产技术部，正科级干事。