錨桿錨索聯(lián)合支護機理研究及應(yīng)用效果

孫 強

（宏圣建筑有限公司第一管理部常店項目部， 山西 沁水 048205）

引言

巷道支護效果和質(zhì)量是保障綜采工作面安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。目前，錨桿支護在我國絕大部分礦區(qū)的支護效率已經(jīng)高達90%。近年來，隨著我國采煤技術(shù)及采煤工藝的不斷進步，僅依靠錨桿支護已經(jīng)不能夠滿足綜合機械化采煤的要求，主要突出表現(xiàn)為巷道掘進速率低、采掘工作面的壓力交替變化大[1]。為保障綜掘工作面的高效、安全生產(chǎn)，錨桿錨索的聯(lián)合支護技術(shù)被應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。本文針對某礦工程，著重對錨桿錨索的聯(lián)合支護技術(shù)進行研究，并驗證其應(yīng)用效果。

1 某礦工程概況

該礦的生產(chǎn)能力為120 Mt/a，工作面煤層厚度范圍為4.63～6.62 m，煤層平均厚度為5.97 m。工作面所采用的采煤工藝為綜采放頂工藝，并采用垮落法對工作面頂板進行管理。工作面的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)對工作面煤層的力學進行測量可知：煤層煤炭的容重為14.2 kN/m3，煤層的彈性模量為17.55 GPa，煤層的抗拉強度為0.95 MPa，煤層的抗壓強度為16.5 MPa，煤層的泊松比為0.31。

2 錨桿錨索聯(lián)合支護機理研究

本文著重對工作面回采巷道進行支護設(shè)計，研究回采巷道錨桿和錨桿—錨索聯(lián)合支護機理。

2.1 回采巷道錨桿支護機理研究

錨桿支護在我國綜采工作面應(yīng)用的時間最長，在多年的不斷優(yōu)化和改進的基礎(chǔ)上，錨桿支護技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。不同的巷道形狀及地質(zhì)條件所依據(jù)的錨桿支護原理不同。其中，當工作面巷道的煤層厚度小于所選錨桿的有效錨固長度時，錨桿主要承擔組合梁的作用；當工作面巷道的煤層厚度大于所選錨桿的有效錨固長度時，錨桿主要承擔擠壓加固的作用。錨桿支護的主要原理為通過錨桿與巷道圍巖的聯(lián)合支護實現(xiàn)對整個巷道的支護，基于錨桿支護強化巷道圍巖巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強度[2]。

總的來說，錨桿支護可改善巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，從而減小圍巖的變形和破壞，從而實現(xiàn)對巷道的支護。

2.2 回采巷道錨桿錨索聯(lián)合支護機理研究

錨桿錨索的聯(lián)合支護在傳統(tǒng)錨桿支護的基礎(chǔ)上，通過錨索加強對巷道圍巖的支護。在實際支護過程中，錨桿錨索的支護不單單是簡單的強化錨桿的支護作用，錨桿支護與錨索支護是相互促進的關(guān)系。錨索支護具有一定的承載能力，能夠承擔巷道圍巖一定位移的變形量，從而保證在傳統(tǒng)錨桿支護下允許圍巖出現(xiàn)可控的變形。即，在傳統(tǒng)錨桿支護的作用下，錨索支護的強化作用可確保工作面巷道圍巖在一定范圍內(nèi)變形時仍然可保持穩(wěn)定。

總的來說，基于錨桿錨索的聯(lián)合支護，不僅可在一定程度上改善傳統(tǒng)錨桿的支護效果，還能夠在錨索的強化作用下對巷道圍巖實現(xiàn)最大變形量的控制[3]。

3 錨桿錨索聯(lián)合支護設(shè)計

本文所研究工作面巷道的形狀為矩形，巷道的寬度為4 500 mm，高度為2 900 mm。工作面巷道采用錨桿錨索的聯(lián)合支護方式。支護參數(shù)具體如下：

1）工作面巷道兩幫采用玻璃鋼錨桿和普通錨桿支護的形式。且普通錨桿和玻璃鋼錨桿的直徑均為22 mm，長度均為2 400 mm。錨桿之間間距為750 mm，每排錨桿之間的間距為1 000 mm。所選錨固劑的型號為Z2360。

2）頂板采用錨桿錨索的聯(lián)合支護。所選型錨桿的直徑為22 mm，錨桿長度為2 400 m，錨桿之間的間距為800 mm，每排錨桿之間的間距為1 000 mm，為其配置兩種錨固劑分別為K2335和Z2360；所選型錨索的直徑為17.8 mm，錨索長度為6 000 mm，錨索之間的間距為1 900 mm，每排錨索的間距為3 000 mm，對應(yīng)的錨固劑的型號為K2335和Z2360。

圖1所示為工作面巷道采用錨桿錨索聯(lián)合支護后的斷面圖。

圖1 工作面巷道支護斷面示意圖（單位：mm）

4 錨桿錨索聯(lián)合支護效果驗證

為驗證上述錨桿錨索聯(lián)合支護的效果，對支護后工作面頂板和兩幫的移近量進行監(jiān)測、對巷道頂板的離層量以及巷道錨桿錨索的受力情況進行觀測。

針對巷道頂板和兩幫移近量的監(jiān)測，在工作面巷道內(nèi)采用十字布點法對上述參數(shù)進行監(jiān)測；將頂板離層儀布置于工作面巷道的頂板，分為深基點和淺基點[4]。其中，深基點位于工作面巷道頂板的8 m之上，淺基點位于工作面巷道頂板2 m的位置處[5]；采用錨桿測力計對錨桿和錨索的受力情況進行監(jiān)測。其中，針對錨桿受力情況采用MJ-40型錨桿測力計，針對錨索受力情況采用MJ-60型測力計進行監(jiān)測。

本次支護效果的監(jiān)測試驗從2019年9月20日至2019年11月30日，共歷經(jīng)70 d。

4.1 巷道兩幫的位移監(jiān)測結(jié)果（如圖2所示）

如圖2所示，巷道兩幫采用玻璃錨桿和普通錨桿的支護下，巷道兩幫的移近量約為4 350 mm與巷道的凈寬量相近；巷道兩幫玻璃錨桿和普通錨桿的受力變化趨勢一致，其中在整個工作面的推進中兩種錨桿的最大受力為10.47 kN，最小錨桿受力為10.02 kN。

圖2 巷道兩幫位移量監(jiān)測情況

4.2 巷道頂板的位移量監(jiān)測結(jié)果（如圖3所示）

圖3 巷道頂板的移近量及錨桿受力情況

如圖3所示，巷道頂板采用錨桿錨索的聯(lián)合支護后，巷道頂板的移近量保持不變約為2 950 mm，與巷道頂板的凈高一致。圖中：F錨桿為靠近工作面的側(cè)錨桿，B錨桿為遠離工作面的側(cè)錨桿。隨著工作面的推進，F(xiàn)錨桿的受力變化明顯，而B錨桿的受力變化較小。其中，F(xiàn)錨桿在工作面推進到14 m時受力值最大為60 kN；B錨桿在工作面推進至約38 m的位置處受力達到最大值為16 kN，并且隨著工作面的繼續(xù)推進B錨桿的受力不變。

4.3 錨索的受力監(jiān)測結(jié)果（如下頁圖4所示）

如圖4所示，C錨索為靠近工作面的錨索，E錨索為遠離工作面的錨索。當工作面由140 m推進至約80 m的位置處時，兩類錨索的受力變化趨勢一致，最小值為15.9 kN，最大值為18.8 kN。隨著工作面的繼續(xù)推進，E錨索的受力不變一致保持在18.8 kN；C錨索的受力瞬間增大至25.1 kN。

圖4 錨索受力情況

5 結(jié)論

錨桿錨索聯(lián)合支護應(yīng)用在某工作面巷道的支護中，經(jīng)對巷兩幫和頂板的支護參數(shù)進行設(shè)計并將其應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，對其70 d內(nèi)應(yīng)用效果進行監(jiān)測，具體結(jié)果如下：

1）巷道頂板的移近量與巷道凈高度一致，說明巷道頂板無離層現(xiàn)象；

2）巷道兩幫的移近量與巷道凈寬度一致，說明巷道兩幫無變形；

3）工作面巷道頂板和兩幫所選型的錨桿、錨索的最大受力分別為60 kN和25 kN，不存在錨桿斷裂的風險。