煤礦采煤掘進工作中高強支護技術方案研究

＊郝曉飛

（山西煤炭進出口集團左權宏遠煤業有限公司 山西 032600）

引言

我國90%以上的煤礦開采工作在井下進行，因此巷道穩定性對于采煤掘進工作而言是極為重要的，沒有穩定的巷道做基礎，在持續采煤掘進過程中，巷道會出現穩定性下降，變形甚至塌方的情況，而想要提升巷道穩定性，強化其承載能力就必須從相應支護技術入手，根據井下巖層情況決定具體的支護方案。

目前來看，不少煤礦，其礦井周圍巖層穩定性相對較差，存在軟頂和軟頂硬頂相結合的情況，在這種情況下，采用高強支護技術，能夠在最大限度控制投資成本的基礎上有效強化巷道穩定性。高強支護主要利用錨桿、鋼絲網、錨索等相應支護設備，雖然采用的技術都屬于傳統支護技術，但將其進行科學組合后，能夠對礦井周圍巖層起到較好的支撐懸吊作用，整體效果較好。下文將對相關技術進行詳細介紹。

1.高強度支護技術概述

根據當前我國煤礦井下開采巷道支護實際情況來看，絕大多數單位采取錨桿支護為主，輔以其他支護技術的支護方案。雖然在實際應用過程中，其支護情況也能滿足基本采煤掘進需求，但是在效率成本方面始終難以與支護安全性相平衡。多數單位仍未明確高強度支護技術的關鍵技術理論，在開采掘進過程中為增加支護強度，往往采取增加錨桿密度、增加錨桿長度等投入高、效果差的方法。而這種方式不僅拖延了整體掘進速率，而且在成本方面也造成大量的浪費，在實施此類支護方案后，整體巷道強度并未得到明顯增強。

巷道支護效果直接影響整個井下作業安全，保障支護強度能夠有效減少煤礦安全事故發生率，同時即使發生了一系列非技術性原因的安全事故，由于有高強度支護技術的保障，也能夠最大程度減少人員傷亡。從高強度支護技術重心上來看，其技術核心是錨桿支護技術，因此在研究高強度支護技術的過程中，應重點分析錨桿支護相關內容。而在分析錨桿技術時，應注意對其力學情況以及錨桿具體布置情況進行分析，錨桿在何種頂板上應采取怎樣的支護方案，錨桿本身應通過哪些方向的調整來增加支護強度，這些都是影響煤礦采煤掘進工作以及整體礦井安全的重要問題，也是高強度支護技術的技術核心。不同情況下，錨桿的受力情況分析需要進行大量的數據模擬，采取科學的力學計算方式，能夠最大限度保障科學選擇錨桿種類，同時也能夠通過更為合理的錨桿施工來達到高強度支護的目的，這些對于減少支護成本支出，提升巷道整體穩定性均具有重要作用。

2.錨桿支護力學分析

(1)懸吊力學分析

錨桿是煤礦支護的基本構成部分，錨桿本身不僅能夠增加軟頂層細碎松動部分相互的摩擦力，而且還能夠在縱向形成較好的拉力作用，由此讓錨桿支護起到懸吊軟頂層的作用，從力學角度分析，懸吊理論必須要有一個穩定圍巖面，如果沒有穩定的圍巖面那么松軟巖層將無處懸吊。

(2)組合梁分析

組合梁理論將層狀圍巖利用錨桿進行緊固，層狀圍巖在不加以錨桿支護的情況下，自身有一定靜摩擦力，而加入錨桿之后，由于將各層圍巖緊密地聯系在了一起，因此可以很大程度上增加巖層之間的靜摩擦力，這在很大程度上避免了層狀圍巖發生位移。另一方面，單層圍巖其剛度有限，能夠承載的力相對較小，而通過錨桿支護以后多層圍巖被緊密的固定在一起，因此其整體承載能力相對較大，在較大的應力作用下，也不會發生較大的滑移現象。這一理論進行支護是需要分析層巖在錨桿支護形成組合梁后需要承載的應力大小，以此為基礎，可以了解錨桿支護的具體參數。不過由于組合梁理論單方面考慮了層巖以及錨桿在支護過程中所能起到的力學作用，沒有將二者進行組合，因此其實際參數和設計參數之間往往有一定差異。

(3)組合拱分析

組合拱支護方案是將錨桿安裝于巷道圍巖的裂隙發育區，在這種支護方案下由于壓應力區出現重疊，因而圍巖整體強度較高。錨桿進入后除了能夠增加宮內巖層靜摩擦力還能夠有效形成三相受力的壓縮拱，在兩方面因素的共同作用下，錨固強度大幅提升，尤其是壓縮拱由于該壓縮拱內三向受力，因此其受力結構相對穩定，能夠在很大程度上提高圍巖的壓應力承載能力。直接增加靜摩擦力，能夠有效避免巖層滑動而形成的三相受力壓縮拱，則能夠很好的預防圍巖變形。

3.錨桿參數與預應力分析

(1)模擬參數與錨桿安裝

利用數字重建模擬軟件，對某煤礦巷道支護情況進行分析。該煤礦巷道高3m，巷道寬度為5.3m，屬于煤巖頂板型礦井，所選支護方案為錨桿支護，錨桿具體參數如下，錨桿長度2.3m，直徑20cm，斷破載荷為300kN。通過數字模擬得到2點錨桿預應力影響結果。分別為低限數值和高限數值，模擬結果顯示錨桿預應力小于20kN以及大于100kN時，巷道整體壓應力范圍變化較大，當低于20kN時，錨桿所形成的壓應力范圍相對較小，因此難以發揮良好的支護效果，從近零應力區范圍來看，當錨桿預應力小于20kN時其近零應力區范圍擴大，因此安全性受到影響。而當預應力相對較高時，情況則恰恰相反，圍巖本身緊密連接，靜摩擦力相對較大，幾乎不留死角，整體安全性相對較高。

從錨桿長度上來看，在一定限度范圍內，隨著錨桿長度的增加，預應力水平也逐漸增加，但在一定范圍以外錨桿長度的增加，并不能對預應力大小起到直接影響，由此可知，在進行錨桿支護設計過程中，要重點考慮預應力與錨桿長度之間的最優解。從錨桿間距上來看過小的錨桿間距不僅不能起到良好的支護效果，反而會導致巖層破碎度增加，進而影響支護效果，而錨桿間距過大也會導致近零應力區增大，這同樣不利于支護安全，以該煤礦為例，通過模擬計算可知當錨桿間距在0.5～0.7m之間時，其煤巖破碎度明顯增加，而錨桿間距在1.4m及以上時近零應力區相對較大，安全性下降。通過計算可知，該煤礦最佳錨桿間距為1m。以該煤礦為例，頂板錨桿安裝角度最佳角度為90°，隨著安裝角度的不斷增加，每根錨桿所形成的壓應力區域分散，不容易從整體上提升支護安全。

(2)具體設計

從按照安全角度來看選擇材料強度更高的錨桿能夠更好的提升支護效果。在設計過程中要注意設置正確的錨桿預應力，根據上文數字模擬分析結果可知，并非支護密度越大，支護效果越好，因此可以通過適當增加預應力數值，降低錨桿密度，保障錨桿強度的情況下，保障快速掘進。設計過程中應注意考慮圍巖應力據此計算錨桿預應力數值。錨桿直徑方面需要注意實際鉆孔作業能力和巖層匹配工作，雖然錨桿直徑增加直接增加斷破強度，但錨固效果并不與斷破強度直接相關。鉆孔實際直徑大于鉆桿直徑，因此在錨桿選擇上要注意保持二者的匹配性。根據上述數字模擬結果，該煤礦最佳錨桿長度為2.1m，過短則無法形成層疊的壓應力區，而過長也不能增加巖層的承載力。而從錨固方式和錨固角度兩點上來看，端部錨固能夠起到更好的牢固效果，而牢固角度來看，頂板錨固最好垂直安裝錨桿，最大角度不宜超過10°。

4.結束語

本文針對煤礦采煤掘進工作中高強支護技術方案進行了研究，重點分析了錨桿支護的相關技術以及技術參數，希望能夠對業界同仁有一定幫助。