錨桿錨索聯合支護機理研究及應用效果

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

巷道支護效果和質量是保障綜采工作面安全生產的基礎。目前，錨桿支護在我國絕大部分礦區的支護效率已經高達90%。近年來，隨著我國采煤技術及采煤工藝的不斷進步，僅依靠錨桿支護已經不能夠滿足綜合機械化采煤的要求，主要突出表現為巷道掘進速率低、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，錨桿錨索的聯合支護技術被應用于實際生產中。本文針對某礦工程，著重對錨桿錨索的聯合支護技術進行研究，并驗證其應用效果。

1 某礦工程概況

該礦的生產能力為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。工作面的頂底板情況如表1所示。

表1 工作面頂底板情況

經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 錨桿錨索聯合支護機理研究

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

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用的時間最長，在多年的不斷優化和改進的基礎上，錨桿支護技術已經趨于成熟。不同的巷道形狀及地質條件所依據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合支護實現對整個巷道的支護，基于錨桿支護強化巷道圍巖巖體結構面的抗剪強度[2]。

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

2.2 回采巷道錨桿錨索聯合支護機理研究

錨桿錨索的聯合支護在傳統錨桿支護的基礎上，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，從而保證在傳統錨桿支護下允許圍巖出現可控的變形。即，在傳統錨桿支護的作用下，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變形時仍然可保持穩定。

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

3 錨桿錨索聯合支護設計

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合支護方式。支護參數具體如下：

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 錨桿錨索聯合支護效果驗證

為驗證上述錨桿錨索聯合支護的效果，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測，在工作面巷道內采用十字布點法對上述參數進行監測；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型測力計進行監測。

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

4.1 巷道兩幫的位移監測結果（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 巷道兩幫位移量監測情況

4.2 巷道頂板的位移量監測結果（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錨桿，B錨桿為遠離工作面的側錨桿。隨著工作面的推進，F錨桿的受力變化明顯，而B錨桿的受力變化較小。其中，F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推進B錨桿的受力不變。

4.3 錨索的受力監測結果（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 結論

錨桿錨索聯合支護應用在某工作面巷道的支護中，經對巷兩幫和頂板的支護參數進行設計并將其應用于實際生產中，對其70 d內應用效果進行監測，具體結果如下：

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。