錨固體錨桿協同支護試驗及效果評估

曹文華

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200）

引言

煤礦安全生產一直以來備受煤礦企業和操作人員的關注。影響煤礦安全的主要因素包括巷道的支護效果、配套的解決工作面瓦斯、透水事故的能力等。煤礦工作面巷道的支護效果直接決定巷道圍巖的穩定性和變形量。目前，煤礦實際生產中可采用復合支護、組合支護、耦合支護以及聯合支護等理論或者相關技術完成對工作面巷道的支護[1]。但是，為提升巷道支護效果常通過疊加支護方式的形式實現，而缺乏對錨固體錨桿協同支護的研究。本文重點對錨固體錨桿的協同支護試驗進行研究。

1 39114 工作面工程概況

本文所研究礦井的生產能力為240 萬t/年，其開采方式為豎井開采，包括有主井、副井和風井。本文對該礦井39114 工作面巷道進行研究。經探測，39114 工作面巷道的煤層、地質條件具體描述如下：

39114 工作面巷道煤層的厚度為1.1～3 m，煤層平均厚度為2 m；煤層的傾角范圍為2°～6°，煤層平均傾角為4°。工作面的地質條件如表1 所示：

表1 礦區39114 工作面工作面地質條件

除上述參數，39114 工作面工作面瓦斯的絕對涌出量為0.23 m3/min；二氧化碳的絕對涌出量0.32 m3/min。總的來講，39114 工作面巷道頂板處于裂隙發育狀態，且相對松軟容易破碎；39114 工作面巷道的埋藏深度較大，地質構造復雜。

2 39114 工作面原支護方案

39114 工作面原所采用的支護方案是根據相鄰工作面的支護參數所設計的，具體如下：

1）39114 工作面頂板采用錨索進行永久支護，錨索的直徑為15.4 mm，錨索長度采用兩種規格。其中，3 200 mm 長的錨索的間距為800 mm，排距為800 mm；8 200 mm 長的錨索的間距為1 600 mm，排距為2 400 mm。

2）39114 工作面兩幫采用錨桿掛網進行支護，所布置的第一層錨桿距離巷道頂板的距離為2 500 mm，錨桿的排距為800 mm，間距為950 mm；最后一層錨桿距離巷道底板的距離為250 mm，對應的錨桿的間距和排距均為800 mm。

3 39114 工作面巷道支護存在的問題

39114 工作面在去年生產時發生一次較為嚴重的冒頂事故，經現場分析和溝通交流的基礎上對原支護方案及施工所存在的問題總結如下：

1）39114 工作面巷道采用錨索支護，其不能夠與圍巖的變形協同。當錨索的作用范圍超過5 m 時，在圍巖應力的作用下導致其被拉斷。

2）39114 工作面巷道所采用的錨索支護，其對應的錨固力不足。實踐表明，當張拉力超過20 MPa 出現錨索被拉脫的情況。總得來講，39114 工作面出現冒頂事故的主要原因是由于錨固力不足所導致。

3）39114 工作面巷道錨索分布均勻，同時由于在實際施工過程中錨固劑凝結速度過快導致錨索的外露長度過于長。

總得來講，導致39114 工作面出現冒頂事故的關鍵原因可總結為錨索預緊力不足、錨固力不足，對應的巷道錨固結構分布不合理以及在實際施工不規范所導致[2]。為解決上述問題，本文擬采用錨固體錨桿協同支護的方式對39114 工作面進行支護，并對支護效果進行驗證。

4 錨固體錨桿協同支護試驗及效果評估

4.1 錨固體錨桿協同支護設計原則

為保證最終錨固體錨桿的支護效果，錨固體錨桿支護方案的設計需遵循如下原則：

1）為保證錨固體與錨桿的協同作用效果，錨桿的預緊力并不是越大越好。當錨桿預緊力過大時，錨固體與錨桿的協同效應會變差。因此，需根據地質條件選擇最佳的錨固預緊力。

2）從理論上講，錨桿越長越能夠提升其與圍巖的協同效應。但是，綜合現場施工的方便性和經濟性需確定合理的錨固長度。

3）錨桿的鉆裝角度也是其與圍巖協同效應的主要因素，一般將鉆裝角度確定為90°以保證最佳的協同效應。

4）同樣，錨桿密度需綜合錨桿與圍巖的協同效應和成本綜合確定。

4.2 錨固體錨桿支護方案的設計

綜合上述錨固體錨桿支護設計的原則和39114工作面頂板的實際條件，設計如下錨固體錨桿支護方案：

1）工作面頂板采用直徑為20 mm，長度為2 500 mm 的高強錨桿進行支護。其中，錨桿間距和排距均為800 mm。

2）工作面低幫同樣采用直徑為20 mm，長度為2 500 mm 的高強錨桿進行支護。其中，錨桿間距和排距均為800 mm；上幫錨桿與水平線的夾角為15°，下幫錨桿與水平線的夾角為45°。

3）工作面高幫同樣采用直徑為20 mm，長度為2 500 mm 的高強錨桿進行支護。其中，錨桿間距為800 mm，排距均為900 mm；上幫錨桿與水平線的夾角為15°，下幫錨桿與水平線的夾角為30°。

4）在上述基礎上采用直徑為18.9 mm，長度為8 200 mm 的錨索進行支護，布置方式為3-3-3,；錨索的間距為1 800 mm，排距為1 600 mm。

39114 工作面錨固體錨桿協同支護設計如圖1所示。

圖1 39114 工作面錨固體錨桿協同支護方案（單位：mm）

4.3 錨固體錨桿協同支護效果評估

為驗證錨固體錨桿協同支護對工作面巷道圍巖的控制效果和穩定性作用，對錨固體錨桿支護方案實施80 d 后頂板及兩幫的位移量和下沉或移近速率進行測試，測試結果分別如表2、表3 所示：

表2 頂板下沉量及下沉速率

表3 兩幫移近量及移近速率

如表2、表3 所示，39114 工作面采用錨固體錨桿支護方案后，頂板及兩幫的移近量隨著距離的增加而減少；而且，頂板的下沉速率和兩幫的移近速率接近為0，即在錨固體錨桿協同支護下對工作面圍巖控制效果最好。

5 結語

一直以來，煤礦綜采工作面巷道的支護效果是保證工作面安全生產的直接因素。不同地質條件、礦壓顯現規律的工作面需綜合成本、實施及圍巖控制效果確定[3-5]。鑒于39114 工作面生產中出現嚴重冒頂的事故，本文對原支護方案下的問題進行分析，并結合錨固體錨桿支護原則對支護方案進行優化。39114 工作面采用錨固體錨桿協同支護方案80 d后，工作面頂板和兩幫的圍巖的下沉量和移近量減小，且得到有效控制，保證了工作面的安全生產。