錨桿參數對巷道支護效果影響的研究

靳如亮

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

巷道支護作為保證綜采工作面安全生產的關鍵工藝，其支護效果受眾多因素的影響。就錨桿支護而言，我國經歷了木錨桿、圓鋼錨桿、普通螺紋鋼錨桿的發展，其可靠性、剛度及強度均上了一個新的臺階，與其相關的支護技術也從單體錨桿階段、組合錨桿階段發展為當前的預應力錨桿階段。不同階段影響最終支護效果的因素不同[1]，其中，作為當前主流支護技術的預應力錨桿支護技術，影響其最終支護效果的核心因素為錨桿的預應力大小。本文以西銘礦48708綜采工作面為載體，重點研究錨桿預應力對該工作面巷道最終支護效果的影響。

1 工程背景

48708工作面走向長度為1 817 m、傾斜長度為187.4 m、面積為 340 505.8 m2，傾角為 2°～11°，平均5°。該工作面所采8號煤層裂隙發育，結構簡單，局部地段煤層下部夾0.2 m的頁巖或炭質頁巖，厚度變化不大，屬于穩定煤層。

煤層頂板（偽頂、直接頂、老頂）：描述煤層頂板巖石性質、層理、節理、厚度、強度（硬度）、頂板分類等情況及其變化情況。煤層頂板情況如表1所示。

水文條件：該綜采工作面最大涌水量25 m3/h，正常涌水量為0～5 m3/h。瓦斯絕對涌出量為2m3/min。煤塵爆炸指數為21.33%（煤塵具有爆炸性），自燃傾向性等級為Ⅱ級（易自燃）。

2 預應力錨桿的支護機理研究

隨著綜采工作面巷道的開挖，破壞了該工作面巷道圍巖的應力平衡狀態，從而造成了巷道圍巖的應力集中狀態。即，將原先的三向應力狀態變為二向甚至單向應力狀態，使得圍巖的承載能力大打折扣[2]。故，需對正在生產的工作面巷道進行支護。預應力錨桿支護技術作為當前的主流支護技術，主要從以下幾個方面改善巷道圍巖的狀態，進而提升其承載能力。

表1 煤層頂板情況

1）預應力錨桿支護技術能夠為巷道圍巖提供表面支護抗力，進而確保巷道圍巖不會繼續朝著有害變形的方向發展。此外，高預應力錨桿還能夠將巷道圍巖的承載能力和控制頂板位移能力上升新的臺階。

2）基于預應力錨桿支護技術能夠將巷道圍巖形成一個整體，使得其圍巖強度得到了提升，能夠承受頂板給予的徑向載荷。

3）基于預應力錨桿支護技術能夠避免巷道圍巖強度降低，進一步從受力狀態及應力場方向優化圍巖力學參數。

4）采用預應力錨桿支護能夠使得錨桿支護特性曲線前移。預應力錨桿能夠促使圍巖與錨桿融為一體，極大地提升其承載能力，避免圍巖與錨桿被分別擊破的現象發生[3]。

綜上所述，采用預應力錨桿支護能夠將巷道圍巖的支護效果提升到更高的層次，使其支護能力得到顯著提升。

3 預應力錨桿支護效果驗證

為了從定量的角度分析預應力錨桿是如何提升綜采工作面巷道的支護效果。本文對錨桿施加不同大小的預應力，并對現場的支護效果進行對比分析。

3.1 綜采工作面支護方案

選取48708綜采工作面其中的一個梯形巷道為研究對象，并對該斷面采用錨桿支護的方案。該巷道斷面及支護方案如圖1所示。

圖1 巷道支護方案示意圖（單位：mm）

如圖1所示，該巷道采用錨桿+金屬網+鋼筋梁的支護方案。其中，所選錨桿的直徑為25 mm，長度為2 400 mm。針對頂板支護錨桿之間的間距為900 mm，錨桿排距為800 mm，每排錨桿數量為12根；針對上幫支護錨桿間距為1 100 mm，錨桿排距為800 mm，每排錨桿數量為12根；針對下幫支護錨桿間距為800 mm，錨桿排距為800 mm，每排錨桿數量為12根。

3.2 支護效果對比分析

基于上述錨桿+金屬網+鋼筋梁的支護方式，安裝時將錨桿的預緊扭矩設定為300 N·m和600 N·m兩種，對比分析不同預緊扭矩錨桿的支護效果。其中，與300 N·m預緊扭矩對應的預緊力為50 kN，與600 N·m預緊扭矩對應的預緊力為75 kN[4]。巷道的支護效果通過巷道表面位移、頂板離層結果及錨桿的受力情況三個方面體現。

3.2.1 巷道表面位移情況

通過對巷道兩幫的移近量及其移近速度與頂板位移量及速度進行監測，得出如表2所示的結果。

如表2所示，隨著錨桿預緊力的增加，兩幫及頂板的位移量均在減少，且兩幫及頂板的移動速度均降低。

表2 不同預緊力錨桿巷道表面位移量及速度對比分析

3.2.2 巷道頂板離層情況

采用巷道頂板離層指示儀對巷道頂板的離層情況進行監測，得出如表3所示的結果。

如表3所示，隨著錨桿預緊力的增加，頂板離層量明顯降低。

表3 不同預緊力錨桿支護的頂板離層情況

3.2.3 錨桿受力情況

不同預緊力下1—4號位置的錨桿受力情況如表4所示。

表4 不同預緊力錨桿受力情況分析

如表4所示，隨著錨桿預緊力的增加錨桿最終受力大小與最初受力大小之間的差值不斷縮小，在有些點最終受力與初始值相等。說明：隨著錨桿預緊力的增加，錨桿支護的穩定性在不斷提升[5]。

4 結語

預緊力錨桿支護作為當前綜采工作面巷道支護的主流方法，能夠將錨桿與圍巖融為一體，使其不易被分別擊破，從整體上提升了巷道圍巖的承載能力。經試驗表明，隨著錨桿預緊力的增加，巷道表面位移量、頂板離層量以及錨桿初始受力與最終受力的差值明顯降低。說明采用適當預緊力的錨桿支護能夠明顯提升其支護效果。