提升礦井巷道掘進速度的錨桿支護技術研究

黃正坤

（晉能控股煤業集團四臺礦，山西 大同 037000）

引言

煤礦安全生產已成為一個社會問題，巷道支護的作用對煤礦安全生產帶來了巨大的影響[1-4]。尤其是在松軟圍巖中開采時，在開采過程中受到擾動后更加容易破碎，發生巷道變形、片幫、頂板破碎等現象，嚴重時會出現坍塌的現象，正對井下煤礦日常生產產生了嚴重的影響[5-6]。為了提高現存支護方案的效果，以某煤礦為研究對象，綜合陳述了現存方案所出現的問題與不足，并基于方案的缺點，分別從不同角度出發，提出了支護參數的優化方法，基于試驗的形式對支護效果進行了驗證，優化方案的支護效果有了較大的改善。

1 地質概況

以產量為60 Wt/年某煤礦的4 號，5 號煤層為例進行研究，根據實地檢測發現，5 號煤層的厚度在2.8～8.2 m 之間，而4 號煤層的厚度相對單薄[7-8]。表1 為該煤礦的運輸巷道的工作面頂板與底板的情況，其中，運輸巷道的寬度為4 m、總體高度為3.2 m。

表1 頂板與底板情況

2 原支護方案分析

2.1 支護設備參數

通過對巷道周圍巖層的實地勘察，原制定支護方案如下：

1）針對對幫參數的選擇，相鄰錨桿的距離取為1 m，錨桿支護的距離為1.5 m，采用Φ18 mm 的左旋螺紋鋼樹脂錨桿，每排3 個。在實際的支護方案中，護幫寬度可以達到2 m，相應的長度為2.5 m，圖1 為具體的支護方案。

圖1 工作面支護方案圖（單位mm）

2）對于頂板的支護中，同時使用錨索與錨桿的方式來實現。在使用中，通常將錨桿支護間距設置為1 m，將相鄰錨桿之間的距離設置為1.4 m，選用Φ22 mm 的左向螺旋的無縱筋螺旋鋼筋。另外，所采用錨桿長度大約設置為2.1 m，而且錨桿采用2 只樹脂藥卷固定。對于錨索的參數，將其間距設置為1 m，將相鄰錨桿排的距離設置為1.6 mm，采用直徑為18.9 mm、長度為7.3 m 的鋼筋[9-10]。

2.2 支護效果分析

在實際支護中，頂板出現了較大裂紋，巷道周圍巖層較為松散，且巷道的兩幫出現了較大的位移變形現象。根據對現場實時的監測數據可知，巷道兩幫的變形達到了450.3 mm，巷道頂板向下沉降量達到了348.2 mm。因此，原支護方案在使用中存在一定的缺陷，在巷道頂板與兩幫圍巖的位置出現應力問題，為此需要對支護參數進行優化[11]。

3 支護參數的優化及實驗

3.1 支護參數的優化

3.1.1 對于錨索的參數

針對錨索長度通常采用式（1）進行確定：

式中：Ls為錨索的全部長度；La為支護方案直接頂的厚度；Lb為錨索自由段的長度；Lc為錨索外露長度。

將La=4.5 m、Lb=3.3 m、Lc=0.3 m 帶入公式（1）計算得到：Ls=8.1 m。

3.1.2 對于錨桿的參數

通常，頂板錨桿長度可由式（2）確定：

式中：L1為頂錨桿外面露出的距離；L2為頂板內部的隱形拱的高度；L3為錨桿超出了隱形拱的長度。

根據測量L1=0.1 m、L2=1.9 m、L3=0.5 m，將其代入式（2）得：L=2.5 m。

對于每排錨桿數量，由式（3）來確定：

式中：n 為每一排錨桿的數目；G 為頂內部錨桿所能夠承擔的載荷大小；Qb為錨桿的屈服極限。

根據實際情況，取Qb=65 kN、G=152 kN，代入式（3）可以計算得到每一排中個數n 為4.68，即取整為5 根，且頂錨桿直接設置為0.02 m。

另外，根據巷道寬度為6 200 m，每一排中錨桿與錨桿之間的距離為0.92 m，錨桿之間的距離為1.35 m，根據數據能得出的槽頂板錨桿的支護參數為：錨桿長為2.5 m，直徑為0.03 m，且頂板錨桿支護參數為0.02 m，每一排間距為0.9 m、1.4 m。

3.2 優化方案的試驗

為了驗證優化方案的可行性，現對巷道支護進行試驗驗證，試驗主要關注巷道兩幫和頂板的變形量，位置選在實施20 d 內巷道的50 m 段，試驗結果分別如圖2 和圖3 所示。圖2 為巷道兩幫隨時間的變形情況，從圖2 中可以看出，在前7 d 內巷道兩幫的變形量增長較為迅速，累積變形量達到了8 mm；在7～11 d之內的變形量增長速度有所下降，僅增長了2 mm 左右；到達11 d 之后，累積變形量穩定在了10 mm 附近。通過優化后的變形量與未優化的4503 mm 變形量進行對比可知，優化后的巷道兩幫變形量較未優化的變形量大大減小，說明優化方案提高了巷道兩幫的穩定性，增加了巷道兩幫的穩定性。

圖2 巷道兩幫隨時間的變形情況

圖3 頂板隨時間的變形情況

圖3 則為巷道頂板沉情況，分析圖3 中數據可知，與兩幫變形情況類似，在前8 d 內頂板的下沉量增長較為迅速，累積下沉量達到了20 mm；在8～13 d內的下沉速度有所降低，累積下沉量為10 mm 左右；到達13 d 之后，雖然巷道頂板的下沉量雖然略有增高，但是頂板的累積下沉量基本上穩定在了32.5 mm附近，該數值較未優化時的348.2 mm 的變形量有較大的減小。綜合分析巷道兩幫的變形和頂板下沉的數據變化情況可知，采用優化參數的支護方案可以有效提高支護設備的穩定性，改善巷道的支護環境，抑制巷道的周圍巖石的變形，增加巷道的可靠性，提高支護設備的安全性能。

4 結論

煤礦的巷道支護技術對日常的生產安全有著極大的影響，為有效改善巷道支護設備的使用效果，以某煤礦為例進行了方案優化，并基于試驗的形式對該優化方法進行了驗證，得出如下結論：

1）經過實地的試驗可知，對該煤礦的支護方案改善后，巷道的兩幫以及頂板的變形量均有了較大的減小，即優化方案能夠有效提高支護穩定性。

2）在對巷道支護方案的選擇時應根據實地的煤層環境進行合理的支護，且在使用過程中良好的支護方案能夠極大地控制巷道周圍巖石的變形。