沿空巷錨桿支護優化設計及效果監測

唐 皓

（山西潞安化工集團，山西 襄垣 046200）

引言

大力提升煤礦生產能力的根本除了掌握先進的生產技術，采用匹配性極高的生產設備外，最基礎的為保證其生產的安全性。煤礦生產的安全性除了對工作面瓦斯、水、火、電等方面事故進行控制外，還需保證煤礦巷道的支護質量和支護效果。除此之外，在保證煤礦安全生產的前提下還要求盡可能提高煤炭采出率，減少煤炭的浪費。經統計表明，由于工作面煤柱所造成的煤炭的損失為工作面煤炭浪費的關鍵因素[1]。因此，加強對工作面沿空巷道的支護效果，盡可能減少巷道煤柱的寬度是未來煤礦巷道支護的努力方向之一。本文將對沿空巷道錨桿支護進行優化設計，并對優化后支護效果進行監測。

1 1304工作面工程概況

本文以1304工作面為例對其沿空巷道的錨桿支護進行優化。1304工作面位于地下535 m和660 m之間，該工作面的走向長度為184 m，煤層平均厚度為7.5 m，煤層的傾角范圍為17°~21°，平均傾角范圍為19°。1304工作面采用的開采方式為走向長壁綜采放頂煤一次采全高全部垮落法，對應的放煤步距為0.8 m，相匹配的放煤方式為一刀一放，對應的煤層截割高度為2.7 m。本文涉及到對沿空巷道的支護，因此需精確掌握工作面煤層的頂底板情況，如表1所示。

表1 1304工作面的頂底板情況

經探測，1304工作面瓦斯的絕對涌出量為0.68 m3/min，其對應的相對涌出量為0.13 m3/t，屬于低瓦斯礦井。1304工作面配置有軌道順槽、皮帶順槽、切眼以及停采線。對1304工作面開采中遇到的問題進行總結，可歸納為如下幾點：

1）鑒于1304工作面屬于孤島工作面，其兩側均為采空區，在長時間開采的影響下該工作面的邊緣位置已經處于塑性變形階段；

2）總的來講，1304工作面煤層較軟、采高較大且截割深度較大，在實際開采過程中應力集中現象相對明顯；

3）1304工作面沿空煤柱寬度的設計缺乏相應的理論依據[2]。

2 沿空巷道錨桿支護的優化設計

2.1 錨桿支護優化設計原則

1304工作面由于其巷道支護存在不合理，導致其在實際開采過程中巷道的變形特征可總結為如下幾點：

1）沿空巷道極易受到采動影響且在多次采動的影響下，巷道的變形嚴重且變形量較大；

2）沿空巷道的變形速度快，而且主要表現為越接近工作面的煤壁其受采動的影響越劇烈，沿空巷道的變形持續時間較長；

3）在長期采動影響下，沿空巷道的變形嚴重且破碎程度嚴重；當巷道變形達到極限時，其對應的煤柱存在失穩的安全隱患，而且隨著巷道的不斷深入失穩的現象越嚴重。

結合沿空巷道圍巖的變形特征，將其采用的被動支護方案優化改進為采用全新錨桿、錨索聯合支護方案，并依據如下原則開展錨桿支護設計：

1）要求錨桿支護能夠在巷道開挖后對巷道進行及時支護，避免圍巖破碎的現象；

2）要求錨桿支護能夠保證沿空巷道煤柱及圍巖的完整性；

3）將沿空巷道圍巖的變形量控制在允許范圍之內；

4）在錨桿支護的基礎上，可采用錨索補強或注漿加固的方式對巷道進行強化支護[3]。

2.2 錨桿支護參數的設計

沿空巷道錨桿錨索的支護情況如圖1所示。

圖1 沿空到錨桿、錨索支護情況（單位：mm）

如圖1所示，沿空巷道頂板采用錨桿錨索聯合支護，具體參數闡述如下:

頂板錨桿支護所采用錨桿類型為左旋螺紋鋼高強錨桿，錨桿的直徑為20 mm，長度為2 000 mm，為提升其支護效果，為頂板錨桿選用加長樹脂對其進行錨固；并在此基礎上采用鋼筋網對其進行強化支護，所采用鋼筋網的長度為2 200 mm，寬度為1 300 mm，保證相鄰兩塊鋼筋網搭接的長度不得小于100 mm。此外，結合錨桿預緊力設計經驗，通過風動扭矩扳手將其預緊力設計為200 N·m[4]。

頂板錨索采用直徑為17.8 mm的高強度低松弛鋼絞線制成，對應錨索的長度為6 300 mm，錨索間距為2 400 mm，錨索排間距為2 400 mm；根據現場地質及巖層條件，對應錨索的錨固長度約為1 300 mm，且要求錨索的預緊力不得小于150 kN。

對于沿空巷道兩幫主要采用錨桿支護，具體支護參數闡述如下：兩幫錨桿支護所采用的錨桿類型為做旋螺紋鋼高強度錨桿，對應錨桿的直徑為20 mm，錨桿長度為2 000 mm，所選用的錨固劑的型號為MSZ2360；在此支護基礎上采用鋼筋網對其進行強化支護，所采用鋼筋網的長度為2 200 mm，寬度為1 300 mm，保證相鄰兩塊鋼筋網搭接的長度不得小于100 mm。此外，結合錨桿預緊力設計經驗，通過風動扭矩扳手將其預緊力設計為150 N·m[4]。

3 沿空巷道支護效果監測

為了驗證上述錨桿錨索聯合支護與以往被動支護對沿空巷道的支護效果，設計相應的礦壓監測方案分別對沿空巷道圍巖的變形量進行監測。巷道表面位移觀察采用“十”字布點法進行[5]。施工技術要求：

1）要保證垂直測點的連線與底板垂直，水平測點的連線與底板平行。

2）為準確定位測點位置，需在各測點所在位置的煤巖體內打一個深0.5 m，直徑為28 mm的鉆孔，然后在鉆孔中央放置一段長0.5 m，直徑為20 mm的螺紋鋼，并用1卷Z2360樹脂錨固劑把鋼筋固定在鉆孔內，鋼筋要露出頂（底）板（幫）20 mm。

3）測點布置后，應注意保護觀測斷面，防止測點被破壞。

基于上述方案對沿空巷道圍巖在回采期間的位移量監測結果與原支護方案下對應的巷道變形量如表2所示。

表2 沿空巷道支護優化效果對比

如表2所示，對沿空巷道支護方案及參數進行優化設計后頂板和兩幫的變形量得到明顯改善，即說明此次改造的有效性。

4 結語

加強對煤礦工作面的支護，提升其支護效果和支護質量是保證高效、安全生產的前提。對于老礦井而言，隨著開采的不斷深入沿空巷道的變形在原支護方案下存在極大的風險，故需根據生產進度和地質、巖層等條件的變化對支護參數進行優化。