煤礦錨桿（索）支護參數設計及效果監測

杜旭文

（霍州煤電集團金能煤業有限公司， 山西 忻州 035100）

引言

隨著煤礦采煤工藝、采煤技術及綜采設備自動化水平的不斷提升，工作面的采煤效率提升效果顯著，進而對煤礦工作面生產的安全性提出了更高的要求。巷道支護效果是保證整個工作面安全生產的關鍵因素[1]。目前，應用于煤礦掘進工作面、綜采工作面巷道支護的最常用的手段為錨桿（索）支護。然而，在實際應用中發現錨桿（索）支護存在不耦合支護和支護參數不確定的問題，進而導致巷道支護失敗、巷道變形嚴重或者支護過度導致支護成本過高。因此，開展錨桿（索）支護機理研究是十分有必要的。

1 工程概況

本文以某煤礦為研究對象，某煤礦的年生產能力為120 Mt，共包括有四個采區且共有三個采區可開采。該煤礦回采巷道為煤頂巷道，煤層厚度為3 m；煤層傾角范圍為1°～7°，該煤層屬于近水平厚煤層。工作面頂底板情況如表1所示。

分析表1可知，由于工作面頂板泥巖的吸水性較大導致其容易軟化，從而影響了工作面整個頂板的穩定性。隨著巷道工作面的不斷推進，在頂板動載荷的作用下，工作面巷道可能存在出現冒頂、片幫以及掉塊的事故發生[2]。目前，工作面頂板采用全部垮落法進行管理，工作面進風順槽采用錨桿+錨索支護+金屬網聯合支護的形式。為確保工作面巷道的安全生產，需加強對工作面巷道的支護管理。

表1 工作面頂底板情況

2 錨桿（索）聯合支護機理

錨桿分為錨固端、自由端和外露端。錨固端基于藥卷等錨固劑將錨桿與圍巖緊密結合。錨索分為鋼絞線、鎖具和錨固劑三部分組成。根據錨索錨固端的受力情況可分為拉力分散型錨索、壓力分散型錨索、拉壓分散型錨索。

2.1 回采巷道錨桿支護機理

錨桿對巷道圍巖的支護效果在一定程度上受制于巖體的結構類型。針對不同的巖體類型，錨桿所起的作用不同。其中，針對巖層強度較低的巖體，錨桿的主要作用是增加巷道圍巖巖體結構面的抗剪強度；針對層狀巖體而言，錨桿的主要作用是為工作面巷道圍巖提供懸吊力；針對工作面的完整巖體而言，錨桿的主要作用是改善圍巖的受力狀態，進而減小頂板動載荷對圍巖的變形和破壞[3]。

2.2 回采巷道錨桿（索）聯合支護機理

錨索支護在巷道圍巖的應用可提供較大錨固力、施加加大預緊力等優勢。當錨桿支護不能達到圍巖的關鍵承載層，必須引入錨索支護。錨索支護可進一步提升巷道圍巖的穩定性和巷道巖體的抗剪強度。

錨桿（索）的聯合支護可實現工作面巷道圍巖的強度耦合、剛度耦合和結構耦合。

3 回采巷道支護現狀

目前，某煤礦工作面巷道采用錨桿+錨索的聯合支護方式，巷道斷面的形狀如下頁圖1所示。

錨桿參數如下：直徑為20 mm，長度為2 200 mm，每排錨桿之間間距為800 mm，錨桿與錨桿之間的間距為1 000 mm；左幫錨桿的直徑為18 mm，長度為1 800 mm，每排錨桿之間間距為750 mm，錨桿與錨桿之間的間距為800 mm；右幫錨桿的直徑為18 mm，長度為1 800 mm，每排錨桿之間間距為750 mm，錨桿與錨桿之間的間距為800 mm。其中，頂錨桿的預應力為60 kN，左幫錨桿預應力為40 kN，右幫錨桿的預應力為40 kN。

錨索的參數如下：錨索類型為鋼絞線，直徑為17.8 mm，錨索長度為840 mm，每排錨索的間距為1 900 mm，錨索與錨索的間距為3 000 mm。錨索的預應力為200 kN。

圖1 工作面巷道斷面示意圖（單位：mm）

4 錨桿（索）聯合支護數值模擬

4.1 回采巷道錨桿（索）數值模擬的驗證

根據某煤礦工作面3號煤層建立如圖2所示的模型。

圖2 3號煤層工作面模型

如圖2所示，3號煤層工作面的尺寸為100 m×100 m×40 m，巷道形狀為矩形。根據實際情況將模型上邊界設定為自由邊界，承受頂部煤層巖層的重力。在距離工作面82 m、72 m、62 m、52 m、42 m、32 m、22 m、12 m以及2 m下對巷道圍巖的變形和受力情況進行仿真分析。

4.2 回采巷道錨桿（錨索）數值模擬結果的分析

1）當距離工作面距離為60 m，巷道頂板的變形量達到最大且最大變形量為90 mm；隨著工作面進一步推進，頂板的變形量逐步減小。經分析可知，造成上述現象的主要原因為頂板初次來壓。

2）當距離工作面的距離為20 m，巷道頂板的下沉量再次呈現上升趨勢；且當距離工作面的距離為2 m時，巷道頂板的下沉量達到最大，且下沉量為110 mm。綜上所述，巷道頂板的下沉量及變形量均很小，在可控制的范圍之內。

3）隨著工作面的不斷推進，工作面巷道兩幫的變形量不斷增大，且最大變形量為煤壁側幫，其變形量為35 mm；工作面側巷幫的變形量為18 mm。

經數值模擬分析可知，所設計錨桿（索）聯合支護下工作面巷道頂板、側幫的變形量均非常小，在可控范圍之內。

5 錨桿（索）聯合應用效果的監測

將所設計的錨桿（索）支護參數應用于3號煤層工作面巷道的支護中，并對3號煤層工作面的巷道礦壓進行監測。具體監測項目包括有：巷道表面的位移、巷道的離層狀況、錨桿（索）的受力情況[4]。具體監測結果如下：

1）工作面巷道頂板的離層值為0，即說明巷道頂板的無離層現象；

2）工作面巷道頂底板移近量為0，兩幫的移近量同樣為0。即說明，在錨桿（索）的聯合支護作用下，工作面巷道不存在變形，具有較佳的支護效果。

3）工作面巷道兩幫的載荷值為10.42 kN；靠近工作面頂錨桿的載荷穩定在64 kN，遠離工作面頂錨桿的載荷最小為10.02 kN；遠離工作面頂錨索的載荷最小為18.8 kN，側錨索的載荷為25 kN。綜上所述，該支護參數下錨桿（索）可為工作面巷道圍巖提供足夠的錨固力[5]。

6 結語

煤礦巷道的支護效果直接決定工作面的安全性，進而決定工作面的采煤效率。應用當前應用最為廣泛的錨桿+錨索的聯合支護，可根據工作面巷道圍巖情況、頂底板情況以及煤層特點設計相應的支護參數，確保所設計的支護參數既能夠起到支護效果，也不會出現支護過度的現象，即，在保證工作面安全生產的同時，達到減少支護成本的目的。