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[摘 要]由于深部软岩工程复杂工程地质条件使原有的浅部工程的支护技术和方法不能满足实际工程需要，本文以许疃煤矿71212外风巷为研究对象，提出了锚网索梁耦合支护技术，通过理论计算确定了锚杆（索）支护参数，通过现场监测验证了支护方案的合理性，取得了良好的支护效果。
[关键词]软岩；锚网索梁耦合支护；支护参数；支护效果
中图分类号：X7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0398-02
0、前言
随着淮北矿业南部主力生产矿井的快速延伸，开采深度加大，岩体应力急剧增加，复合型煤巷的支护比重加大，在矿区占较大比重的顶板结构复杂区域、区域构造应力突显区域、整体围岩强度恶化、邻近区段开采影响、沿空掘巷等多种因素综合作用下的煤巷（称复合型煤巷），采用在浅部开采基础上发展起来的传统支护理论、设计方法及技术已难以适应深部巷道支护的要求，制约生产安全的矛盾仍十分突出，是矿区煤巷支护成本居高不下，维护状况恶劣的主要原因。因此，必须针对深部软岩工程巷道围岩条件及其力学特性，寻找新的、合理的支护技术和方法，才能保证巷道围岩的稳定。
随着支护材料、技术装备的完善以及开采深度的增加，深部巷道工程支护技术从被动支护发展到主动支护和耦合支护。耦合支护是以何满潮为代表提出的，进入深部开采以后，单纯的主动支护已无法保证深部地下工程围岩的稳定性，主要是因为已进入非线性塑性大变形阶段、变形场是非线性力学场的深部巷道工程，其变形破坏实质上是巷道围岩在工程力作用下产生塑性大变形的一种力学过程，必须采用适合于深部岩体非线性大变形力学特性的支护理论与技术，才能充分发挥支护体的支护能力，保证巷道围岩的稳定性。耦合支护思想针对深部大变形力学特性，通过各种支护之间的耦合以及支护体与围岩之间的耦合，从而实现对深部巷道工程稳定性的有效控制。本文研究的锚网索梁耦合支护技术是针对深部高应力强膨胀节理化复杂软岩的典型耦合支护技术。
1、工程概况
淮北矿业集团许疃煤矿71212外工作面位于82下采区北翼的第一区段，南到82下采区上山保安煤柱，西为82采区边界，北到72210工作面里段（尚未准备），东部为72212工作面（尚未准备）。回采标高-493.60～-570.84m，地面标高+25.45～+25.70m。该工作面72煤层属二迭系下统下石盒子组。处于71与72煤层合并区，煤厚4.1～6.10m，平均4.68m。
71212外工作面地质构造发育，煤系地层总体呈南北走向，向东倾斜的单斜构造，煤层在走向上有几处起伏。煤层倾角6～19°，平均12°。水文地质条件复杂，主要充水水源为7煤组顶底板砂岩裂隙水，72煤层顶底板砂岩裂隙水以静储量为主，巷道充水水源为71210机巷、71212外风巷（7128轨道巷）积水，巷道上山掘进穿71210机巷，透7128轨道巷。预计正常涌水量2m3/h左右，最大涌水量4m3/h左右。
工作面直接顶为粉砂岩，平均厚度为4.44m，基本顶为中粗砂岩，平局厚度为6.27m，直接底为粉砂岩，平均厚度为1.57m，基本底为细砂岩，平均厚度为10.9m。
71212外工作面风巷设计断面形状为梯形，巷道净宽4500mm，巷道中高3500mm。设计采用锚网索梁支护。
2、支护方案设计
（1）设计原则
为了充分发挥锚杆（索）支护体系的作用，进行锚杆（索）支护设计时遵循以下设计原则：
①一次支护原则。锚杆（索）支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，其支护效果显著降低。
②高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆（索）支护中的关键因素，是区别锚杆（索）支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆（索）支护才是真正的主动支护，才能充分發挥锚杆（索）支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆（索）施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆（索）预应力的扩散，扩大预应力作用范围，提高锚固体的整体刚度与完整性。
③整体性原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆（索）支护的整体支护作用。
④“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度（如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度）、刚度（提高锚杆预应力、全长锚固），保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。
（2）支护参数设计
①顶板锚杆设计
顶板锚杆选用M22无纵肋螺纹钢式等强锚杆，杆体屈服强度
。
Ⅰ、顶板锚杆长度：
式中：L1（锚杆外露（煤岩体）长度，取0.2m；
L2（锚杆伸入松动圈外的长度，取0.5m；
D—围岩的松动圈范围，根据许疃煤矿经验数据，取1.6m；
将数值代入计算得=2.3m，考虑钻孔、锚杆打按角度等因素，锚杆长度选取2.4m。
Ⅱ、锚杆锚固力
顶板单根锚杆锚固力：
式中，P—为煤层顶板单根锚杆锚固力，kN；
—为锚杆的屈服强度，335Mpa；
a—锚杆直径，20mm。
经计算，顶板单根锚杆锚固力：P=105kN。
Ⅲ、支护密度、间排距
式中，PS—支护密度，根/㎡；
K1—安全系数，取1.5；
K2—采动影响系数，取2.5；
D—松动圈厚度，取1.6m； —顶板岩石容重，26kN/m3；
PS=1.49根/㎡；
1/PS=0.67㎡/根；
结合巷道宽度、施工组织、矿井生产经验等，取锚杆间排距为800×800mm。
②帮锚杆设计
帮锚杆选用与顶板同型号的M22无纵肋螺纹钢式等强锚杆，杆体屈服强度。
Ⅰ、帮锚杆长度L帮：
式中：Z——帮锚杆伸出非有效承载区的最小锚固深度，Z=0.5m；
——两帮有效承载区深度：
f——煤体普氏系数，f=0.6；
B——巷道跨度，取4.7m（考虑巷道超挖200mm）；
经计算：=1.4m
l1——帮锚杆外露长度，取l=0.2m。
计算得L帮=2.1m，考虑孔深误差等因素，设计帮锚杆锚长度取2.4m。
Ⅱ、帮锚杆直径
设计帮锚杆锚固力P=70kN，帮部锚杆直径：
—采动侧压等影响系数，取1.5；
帮锚杆直径取20mm。
Ⅲ、确定帮锚杆间排距
巷道一侧松动宽度=1.83m
式中，h——巷道高，取3.6m（考虑巷道超高100mm）；
——煤体内摩擦角，取36°。
单位面积煤帮的侧压Q
式中，——煤层倾角，12°
煤层容重=1.37×103Kg/m3，岩层容重=2.6×103Kg/m3
Q——考虑采动等影响煤帮侧压；
K——采动影响系数，取1.5；
b——潜在的平衡拱高度，计算如下：
b=1.02m
式中：
a——顶板有效跨距之半，为a=4.7/2=2.35m；
c——巷道一侧松动宽度c=1.83；
——直接顶加权平均普氏系数，取4；
——顶部岩类型系数，取1。
经计算可得：Q=6.5t/m2
帮锚杆间排距
由锚杆支护强度与侧压相平衡公式：
可得：
式中：——煤帮支护密度；
——安全系数，取1.1；
Q——煤帮侧压（考虑采动等影响）；
P——锚杆锚固力；
经计算，巷帮支护密度为：1.02根/㎡，即0.98㎡/根，帮锚杆排距与顶板锚杆保持一致，取800mm；根据矿井生产实际帮锚杆间距取900mm。
③顶锚索及锚索梁
根据矿井生产实际，同时便于与锚杆支护联合施工，充分发挥锚索作用，选用Φ17.8L=6200mm的钢铰线锚索，间距1600mm，排距2400mm。锚索梁采用14#槽钢制作，长度L=3600mm，錨索孔间距为1600mm，排距2400mm。
3、应用效果
（1）锚网索梁耦合支护，最大限度利用和发挥围岩自承能力，通过锚网+浅部围岩、锚索+深部围岩充分耦合，实现变形协调。
（2）锚网索主要克服巷道断面横向变形，锚索梁主要是克服巷道纵向剪切破坏变形，两者结合，形成一个全封闭、整体式力学结构。
（3）从后期矿压监测来看，采用锚网索梁耦合支护效果良好，巷道变形量主要体现在两帮，两帮最大收缩量为400mm左右，滞后迎头约80m，顶底板变形量较小，基本在0～50mm之间，巷道变形稳定后，变形量基本稳定在100mm左右。
4、结束语
本论文通过对许疃煤矿71212外风巷支护进行设计，提出了锚网索梁耦合支护技术，充分发挥了锚杆、锚索各自的优势，高强度锚杆以加固为主，锚索以悬吊作用为主，有效控制了巷道顶板岩层移动，保证了围岩稳定，锚索梁使巷道沿纵向形成一个整体，充分发挥了锚网索梁耦合支护效果，满足了矿井安全生产的需要，同时锚杆、锚索支护材料成本低、施工方便，掘进速度快，取得了良好的经济效益。
作者简介
马玉林（1982-）男，安徽淮北人，助理工程师，毕业于中国矿业大学应用技术学院采矿工程系，现就职于淮北矿业集团公司许疃煤矿，从事技术工作。
[关键词]软岩；锚网索梁耦合支护；支护参数；支护效果
中图分类号：X7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0398-02
0、前言
随着淮北矿业南部主力生产矿井的快速延伸，开采深度加大，岩体应力急剧增加，复合型煤巷的支护比重加大，在矿区占较大比重的顶板结构复杂区域、区域构造应力突显区域、整体围岩强度恶化、邻近区段开采影响、沿空掘巷等多种因素综合作用下的煤巷（称复合型煤巷），采用在浅部开采基础上发展起来的传统支护理论、设计方法及技术已难以适应深部巷道支护的要求，制约生产安全的矛盾仍十分突出，是矿区煤巷支护成本居高不下，维护状况恶劣的主要原因。因此，必须针对深部软岩工程巷道围岩条件及其力学特性，寻找新的、合理的支护技术和方法，才能保证巷道围岩的稳定。
随着支护材料、技术装备的完善以及开采深度的增加，深部巷道工程支护技术从被动支护发展到主动支护和耦合支护。耦合支护是以何满潮为代表提出的，进入深部开采以后，单纯的主动支护已无法保证深部地下工程围岩的稳定性，主要是因为已进入非线性塑性大变形阶段、变形场是非线性力学场的深部巷道工程，其变形破坏实质上是巷道围岩在工程力作用下产生塑性大变形的一种力学过程，必须采用适合于深部岩体非线性大变形力学特性的支护理论与技术，才能充分发挥支护体的支护能力，保证巷道围岩的稳定性。耦合支护思想针对深部大变形力学特性，通过各种支护之间的耦合以及支护体与围岩之间的耦合，从而实现对深部巷道工程稳定性的有效控制。本文研究的锚网索梁耦合支护技术是针对深部高应力强膨胀节理化复杂软岩的典型耦合支护技术。
1、工程概况
淮北矿业集团许疃煤矿71212外工作面位于82下采区北翼的第一区段，南到82下采区上山保安煤柱，西为82采区边界，北到72210工作面里段（尚未准备），东部为72212工作面（尚未准备）。回采标高-493.60～-570.84m，地面标高+25.45～+25.70m。该工作面72煤层属二迭系下统下石盒子组。处于71与72煤层合并区，煤厚4.1～6.10m，平均4.68m。
71212外工作面地质构造发育，煤系地层总体呈南北走向，向东倾斜的单斜构造，煤层在走向上有几处起伏。煤层倾角6～19°，平均12°。水文地质条件复杂，主要充水水源为7煤组顶底板砂岩裂隙水，72煤层顶底板砂岩裂隙水以静储量为主，巷道充水水源为71210机巷、71212外风巷（7128轨道巷）积水，巷道上山掘进穿71210机巷，透7128轨道巷。预计正常涌水量2m3/h左右，最大涌水量4m3/h左右。
工作面直接顶为粉砂岩，平均厚度为4.44m，基本顶为中粗砂岩，平局厚度为6.27m，直接底为粉砂岩，平均厚度为1.57m，基本底为细砂岩，平均厚度为10.9m。
71212外工作面风巷设计断面形状为梯形，巷道净宽4500mm，巷道中高3500mm。设计采用锚网索梁支护。
2、支护方案设计
（1）设计原则
为了充分发挥锚杆（索）支护体系的作用，进行锚杆（索）支护设计时遵循以下设计原则：
①一次支护原则。锚杆（索）支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，其支护效果显著降低。
②高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆（索）支护中的关键因素，是区别锚杆（索）支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆（索）支护才是真正的主动支护，才能充分發挥锚杆（索）支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆（索）施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆（索）预应力的扩散，扩大预应力作用范围，提高锚固体的整体刚度与完整性。
③整体性原则。锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆（索）支护的整体支护作用。
④“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度（如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度）、刚度（提高锚杆预应力、全长锚固），保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。
（2）支护参数设计
①顶板锚杆设计
顶板锚杆选用M22无纵肋螺纹钢式等强锚杆，杆体屈服强度
。
Ⅰ、顶板锚杆长度：
式中：L1（锚杆外露（煤岩体）长度，取0.2m；
L2（锚杆伸入松动圈外的长度，取0.5m；
D—围岩的松动圈范围，根据许疃煤矿经验数据，取1.6m；
将数值代入计算得=2.3m，考虑钻孔、锚杆打按角度等因素，锚杆长度选取2.4m。
Ⅱ、锚杆锚固力
顶板单根锚杆锚固力：
式中，P—为煤层顶板单根锚杆锚固力，kN；
—为锚杆的屈服强度，335Mpa；
a—锚杆直径，20mm。
经计算，顶板单根锚杆锚固力：P=105kN。
Ⅲ、支护密度、间排距
式中，PS—支护密度，根/㎡；
K1—安全系数，取1.5；
K2—采动影响系数，取2.5；
D—松动圈厚度，取1.6m； —顶板岩石容重，26kN/m3；
PS=1.49根/㎡；
1/PS=0.67㎡/根；
结合巷道宽度、施工组织、矿井生产经验等，取锚杆间排距为800×800mm。
②帮锚杆设计
帮锚杆选用与顶板同型号的M22无纵肋螺纹钢式等强锚杆，杆体屈服强度。
Ⅰ、帮锚杆长度L帮：
式中：Z——帮锚杆伸出非有效承载区的最小锚固深度，Z=0.5m；
——两帮有效承载区深度：
f——煤体普氏系数，f=0.6；
B——巷道跨度，取4.7m（考虑巷道超挖200mm）；
经计算：=1.4m
l1——帮锚杆外露长度，取l=0.2m。
计算得L帮=2.1m，考虑孔深误差等因素，设计帮锚杆锚长度取2.4m。
Ⅱ、帮锚杆直径
设计帮锚杆锚固力P=70kN，帮部锚杆直径：
—采动侧压等影响系数，取1.5；
帮锚杆直径取20mm。
Ⅲ、确定帮锚杆间排距
巷道一侧松动宽度=1.83m
式中，h——巷道高，取3.6m（考虑巷道超高100mm）；
——煤体内摩擦角，取36°。
单位面积煤帮的侧压Q
式中，——煤层倾角，12°
煤层容重=1.37×103Kg/m3，岩层容重=2.6×103Kg/m3
Q——考虑采动等影响煤帮侧压；
K——采动影响系数，取1.5；
b——潜在的平衡拱高度，计算如下：
b=1.02m
式中：
a——顶板有效跨距之半，为a=4.7/2=2.35m；
c——巷道一侧松动宽度c=1.83；
——直接顶加权平均普氏系数，取4；
——顶部岩类型系数，取1。
经计算可得：Q=6.5t/m2
帮锚杆间排距
由锚杆支护强度与侧压相平衡公式：
可得：
式中：——煤帮支护密度；
——安全系数，取1.1；
Q——煤帮侧压（考虑采动等影响）；
P——锚杆锚固力；
经计算，巷帮支护密度为：1.02根/㎡，即0.98㎡/根，帮锚杆排距与顶板锚杆保持一致，取800mm；根据矿井生产实际帮锚杆间距取900mm。
③顶锚索及锚索梁
根据矿井生产实际，同时便于与锚杆支护联合施工，充分发挥锚索作用，选用Φ17.8L=6200mm的钢铰线锚索，间距1600mm，排距2400mm。锚索梁采用14#槽钢制作，长度L=3600mm，錨索孔间距为1600mm，排距2400mm。
3、应用效果
（1）锚网索梁耦合支护，最大限度利用和发挥围岩自承能力，通过锚网+浅部围岩、锚索+深部围岩充分耦合，实现变形协调。
（2）锚网索主要克服巷道断面横向变形，锚索梁主要是克服巷道纵向剪切破坏变形，两者结合，形成一个全封闭、整体式力学结构。
（3）从后期矿压监测来看，采用锚网索梁耦合支护效果良好，巷道变形量主要体现在两帮，两帮最大收缩量为400mm左右，滞后迎头约80m，顶底板变形量较小，基本在0～50mm之间，巷道变形稳定后，变形量基本稳定在100mm左右。
4、结束语
本论文通过对许疃煤矿71212外风巷支护进行设计，提出了锚网索梁耦合支护技术，充分发挥了锚杆、锚索各自的优势，高强度锚杆以加固为主，锚索以悬吊作用为主，有效控制了巷道顶板岩层移动，保证了围岩稳定，锚索梁使巷道沿纵向形成一个整体，充分发挥了锚网索梁耦合支护效果，满足了矿井安全生产的需要，同时锚杆、锚索支护材料成本低、施工方便，掘进速度快，取得了良好的经济效益。
作者简介
马玉林（1982-）男，安徽淮北人，助理工程师，毕业于中国矿业大学应用技术学院采矿工程系，现就职于淮北矿业集团公司许疃煤矿，从事技术工作。