恒阻大變形錨桿支護技術的應用研究

郭舒銘

（山西焦煤集團官地礦， 山西 太原 030024）

引言

巷道的支護質(zhì)量和效果是保證煤礦安全生產(chǎn)的前提，目前應用于工作面常規(guī)的支護方式為錨桿支護。隨著煤層開采深度的不斷增加，工作面地質(zhì)環(huán)境不斷惡化，所承受的應力不斷增加，從而導致深部煤炭開采事故的頻繁發(fā)生，主要變現(xiàn)為頂板來壓、瓦斯突出、頂板下沉以及兩幫收縮等[1]。經(jīng)分析，導致深部煤炭開采事故發(fā)生的根本原因在于支護效果不佳。為此，針對深部煤炭采用恒阻大變形錨桿進行支護。本文著重對恒阻大變形錨桿支護的工程應用進行研究。

1 工程概況

本文所研究煤礦的生產(chǎn)能力為300萬t/年，工作面煤層傾角范圍為2°～6°。采用豎井分水平的開采方式，且各個工作面采用綜放一次全采高的采煤方式。本文所研究煤礦某個工作面的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

經(jīng)探測可知，礦井不同工作面的涌水量不同，其中最大涌水量為379 m3/h，最小涌水量為29.71 m3/h。該煤礦地應力的最大應力平均值為34.04 MPa，最大主應力的方位角為100.38°，最大主應力的傾角為20.53°；垂向平均地應力為25.04 MPa。

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

2 支護現(xiàn)狀研究

2.1 原支護參數(shù)分析

該煤礦原先所采用的支護方式為錨桿錨索錨網(wǎng)的聯(lián)合支護。其中，所采用錨桿的規(guī)格尺寸為Φ20 mm×2 400 mm，錨桿類型為無縱筋螺紋鋼錨桿，并呈現(xiàn)矩形排列；所采用金屬網(wǎng)的網(wǎng)格規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm，金屬網(wǎng)的整體尺寸為1 500 mm×1 100 mm；所采用錨索的規(guī)格尺寸為Φ17.8 mm×4 200 mm。煤礦支護的詳細參數(shù)如圖1所示。

圖1 原支護詳細參數(shù)（單位：mm）

2.2 原支護方案存在的問題

經(jīng)實踐表明，在原支護參數(shù)的支護方案下，煤礦巷道發(fā)生了嚴重的變形并導致支護材料的失效，具體表現(xiàn)為：錨索被剪短、錨桿右?guī)捅粔杭羝茐腫2]?？偟膩碚f，巷道的開裂位置主要集中于工作面的拱部，并導致拱部兩肩被擠壓、被壓斷，從而使得巷道出現(xiàn)大面積的變形破壞。

經(jīng)對巷道工程破壞現(xiàn)象及特征進行總結分析，導致工作面大面積被變形破壞的主要原因為：該煤礦的地質(zhì)條件復雜，其圍巖賦存的深度大，對應的地應力水平高；巖體強度較低；巖體的膨脹性較高等[3]。支護參數(shù)不合理，該煤礦屬于深部開采煤礦，基于普通錨桿、錨索的支護材料對其支護效果不佳，且支護參數(shù)的設計思路已不適用。

3 恒阻大變形錨桿支護的應用

3.1 恒阻大變形錨桿支護機理

鑒于恒阻大變形穩(wěn)定性的控制理念能夠解決普通錨桿支護下的延伸率低、巷道圍巖變形大的問題，針對深部煤礦的支護采用恒阻大變形錨桿增強其支護效果和質(zhì)量[4]?；诤阕璐笞冃五^桿支護具有如下效果：恒阻大變形錨桿適用于巷道大變形的特征；當工作面巷道發(fā)生較大的變形時，恒阻大變形錨桿可為巷道提供大于110 kN的恒定工作阻力，且在恒阻力支護工況下該型錨桿的最大變形為1 000 mm，最小變形量為300 mm；恒阻大變形錨桿具有可回收利用的優(yōu)勢。

鑒于恒阻大變形錨桿的特殊性，常通過工作面巷道的恒阻力、極限變形量以及恒阻錨桿的長度進行選型。

3.2 恒阻大變形錨桿支護設計

根據(jù)該煤礦原支護參數(shù)及其支護問題進行分析，針對該煤礦深度煤炭的開采采用恒阻大變形錨桿（3 m）+金屬網(wǎng)+鋼帶+恒阻大變形錨索（8 m）+底角注漿錨管耦合的聯(lián)合支護方案。

1）錨桿支護設計：所選型恒阻大變形錨桿的具體型號為HMG-500，錨桿直徑為22 mm，長度為3 000 mm，每排錨桿的間距為1 000 mm，每排錨桿的間距為1 000 mm，并為錨桿固定選用特制的錨固劑進行固定。

2）錨索支護設計：所選型恒阻大變形錨索直徑為22 mm，長度為8 000 mm，每排錨索的間距為1 000 mm，每排錨索的間距為1 000 mm。

3）錨管支護設計：所選錨管為無縫鋼管，直徑為48 mm，錨管長度為3 000 mm，錨管的間距為500 mm，每排錨管的間距為500 mm。恒阻大變形錨桿的支護效果圖如圖2所示。

3.3 恒阻大變形錨桿支護效果驗證

為驗證恒阻大變形錨桿支護的效果，將上述支護方案應用于煤礦實際巷道支護中，并選取50 m長的試驗段對支護效果及質(zhì)量進行監(jiān)測，分別對工作面巷道兩幫的收縮量、底板的下沉量以及底鼓量進行監(jiān)測，監(jiān)測周期為120 d[5]。監(jiān)測結果如圖3所示。

如圖3所示，隨著時間的推移工作面巷道兩幫收縮量、頂板下沉量以及底臌量不斷增加。其中，巷道兩幫收縮量在監(jiān)測80 d左右處于穩(wěn)定狀態(tài)，且兩幫的收縮量最終穩(wěn)定在80 mm左右；頂板下沉量在監(jiān)測90 d左右處于穩(wěn)定狀態(tài)，且頂板的下沉量最終穩(wěn)定在30 mm左右；底鼓量在監(jiān)測82 d左右處于穩(wěn)定狀態(tài)，且底臌量最終穩(wěn)定在40 mm。

與傳統(tǒng)支護方案下的支護效果相對比：在原支護方案下兩幫最終的收縮量為370 mm左右；頂板下沉量最終穩(wěn)定于100 mm左右；底臌量最終穩(wěn)定于150 mm。

綜上所述，采用恒阻大變形錨桿支護后工作面巷道頂板、底板以及兩幫的變形量均得到有效控制，即驗證了恒阻大變形錨桿支護在深部煤炭開采工作面的支護效果優(yōu)于傳統(tǒng)錨桿支護方案。

圖3 恒阻大變形錨桿支護監(jiān)測結果

4 結論

1）針對深部煤炭開采選用恒阻大變形錨桿的型號HMG-500，并為其配置匹配的錨索、錨管等支護材料；

2）恒阻大變形錨桿支護下巷道工作面的頂板、底板以及兩幫的變形量均得到有效控制。其中，頂板變形量由100 mm控制在30 mm；底板變形量由150 mm控制在40 mm；兩幫變形量由370 mm控制在80 mm。