煤礦巷道沿空留巷頂板錨桿支護技術的研究

王亞能

（晉能控股煤業集團地煤大同公司青磁窯煤礦，山西 大同 037000）

引言

隨著科技的飛速發展，對煤炭資源開采的技術也在不斷創新，其中，沿空留巷技術是應用極為廣泛的新型煤礦開采技術。為保障沿空留巷技術[1]的安全實施，做好支護是其中的關鍵一環。由于沿空留巷中圍巖變化量較大，所以采用普通的金屬支架[2]難以完成支護任務，不僅達不到期望的支護效果，而且支架損壞也十分嚴重，從經濟以及效益方面來講都不是很合適。因此，目前多采用更為穩固的錨桿支護方案[3-4]，以提高巷道的支護效果和整個煤礦開采的質量和效率。

1 工程概況

該項工程研究試點為山西某礦坑的運輸巷道。該工程所在的回采工作面深度在685～790 m，煤層厚度0.7～1.9 m，煤層傾角平均29°，整個回采工作面長度362 m，斜坡的長度118 m。巷道頂部為粉砂巖，厚度2.3 m，巷道底部厚度為1.2 m，下面還有0.7 m 厚的煤層和4.9 m 厚的細砂巖。由于開采巷道中出現了頂板下沉等不利因素，對開采人員的安全產生巨大的威脅，所以，必須對其進行頂板錨桿支護。

2 沿空留巷

2.1 沿空留巷存在問題

1）沿空留巷，就是在完成采煤任務后，在已經完成的回采工作面邊緣進行維護，收回在巷道中留下來的煤柱。之前為研究沿空留巷而創立的各種方式，都只是簡單探索了巷道支護體系與圍巖作用的關系，單純地將這種關系體現在了巷道旁邊的支護架構對頂板的支護作用，卻忽略了巷道內部對頂板的支護作用以及巷道中煤體對巷道的維護作用。

2）由于工作面采高逐漸加大，上表面巖層覆蓋活動劇烈程度和涉及的范圍也不斷增加，而且回采工作面巷道斷面比較大，礦壓表現[5]也很劇烈。當前所采用的金屬支架防護和木棚支架防護采用加固鋼架硬度以及縮短木棚之間距離的方式仍然不能保持巷道的穩定性。因此，需要采取一種能夠可以提供支護阻力的錨桿支護方式。

3）隨著采高的不斷增加，支護的阻力也隨之大大增加，但都屬于被動支護[6]，只有在頂板發生掉落時才會發揮支護作用[7]，不會在毫無問題的情況下主動提供支護，沒有達到保障安全的目的。

2.2 沿空留巷中頂板下降位移量規律

巷道中回采工作面中引發的運動是巷道上覆巖層運動，這種運動趨勢是從下至上發展的，上部的運動慢于下部，因此，沿空留巷中的頂板會在之后很長的一段時間里受到這種運動的影響。開采前10 m 這種運動就開始出現，頂板出現下降現象，在下沉量小不會產生明顯影響，在之后推進的60 m 中上覆巖層運動劇烈，頂板開始快速下沉，60 m 之后巖層趨于穩定，頂板下沉速度也開始變緩最后趨于穩定。這時頂板明顯朝著采空區的方向傾斜，傾斜的角度在3°～5°，頂板的下沉量也在開采高度的11%～21%，嚴重威脅開采安全，因此，需要合適的頂板支護方案來抑制這一現象。

3 錨桿支護及錨桿參數

支護方案采用錨桿和錨索等部件傳遞圍巖的應力到圍巖的深部區域[8]，從而提高圍巖整體的強度，使巷道成為一個完整而又穩定的結構整體，最后達到主動支護的效果。巷道的巖體部分多以粉砂巖和細砂巖為主，混含有少量的泥層，因此支護時多采用層狀的頂板進行支護。巷道斷面為矩形結構，具體結構如下頁圖1 所示。

圖1 沿空留巷示意圖

錨桿和錨索具有的預應力對巷道的支護效果有巨大的影響[9]。錨桿的預應力和預應扭矩如下頁圖2所示，根據圖2 可知，如果錨桿垂直方向安裝，錨桿的預緊扭矩在185 N·m，相應的預應力在27 kN，對應的預應力水平較低。因此，錨桿和錨索的安裝角度對預應力的大小有著很大的影響作用。通過圖2 可以看出，兩種不同安裝角度設置下的錨桿的預應力也有不同的預應力和預應扭矩大小，盡管都是呈上升趨勢，在預應扭矩為250 N·m 的前提下，角度為0°的錨桿預應力為40 kN，角度為10°的錨桿預應力為30 kN，而且在預應扭矩增大的情況下，錨桿預應力的損失也會不斷增大，并且兩種不同安裝設置角度下的錨索的預緊力也在跟著拉力增加而增大，所以錨桿和錨索應垂直安裝，這是一種最佳的受力方式。如果錨桿和錨索安裝時偏移的角度過大，會造成錨桿和錨索的預應力較低，容易造成錨桿錨索的非正常斷裂而失效。

圖2 錨桿預應力和預應扭矩關系圖

具體錨桿參數如下，頂板支護時采用直徑20 mm、長度2 200 mm 的一種左旋螺紋鋼錨桿，每排放5根錨桿，間排距設置為900 mm、900 mm，錨桿選用具有樹脂藥卷的MSK2350 型，錨桿的托板采用Q235 型的國家標準的鋼板，具體規格為90 mm×90 mm×7 mm。錨桿的錨固力需在45 kN 以上，預緊力需在25 kN 以上。巷幫支護的錨桿參數選擇直徑為16 mm、長度為2 000 mm，回采側不支護，非回采側的副幫采用3 根錨桿進行支護，間排距為900 mm、1 000 mm，錨固的長度為500 mm，錨固參數同樣為錨固力在45 kN以上，預緊力在25 kN 以上。

錨索的參數如下：頂板使用直徑為14.22 mm、長度為5 500 mm 的錨索，支護時采用型號為K2350 型的樹脂錨固劑，間距為1.8 m，錨索的預緊力在95 kN以上。錨索的頂板同樣采用Q235 鋼，規格為11 mm×250 mm×250 mm。頂板還需采用直徑為6 mm 的鋼筋網，網孔設置為100 mm×90 mm，網片的長×寬=1 000 mm×4 500 mm。巷道支護設計如圖3 所示。

圖3 巷道支護設計圖（單位：mm）

4 實際應用效果分析

將具體方案進行實際應用后，只有少部分地區的頂板發生輕微破裂現象，沿空留巷巷道階段沒有明顯的變形。開采期間巷道的頂板、兩幫和底板的表面位移與距離回采面的距離關系如圖4 所示，根據圖4 可以看出，頂板位移量為130 mm，底板位移量為161 mm，兩幫的位移量為158 mm。根據這次實際應用結果可以看出，采用的錨桿支護方案有效抑制了沿空留巷中的圍巖變形和頂板變形問題，提升了煤礦開采的安全系數，提高了開采效率。

圖4 巷道表面位移與距回采面距離關系

5 結論

通過對沿空留巷存在問題的研究，錨桿預應力和預應扭矩相互關系的分析，以及對支護后巷道頂板、底板和兩幫位移量的分析，可以得出以下結論：

1）錨桿和錨索的安裝角度對預應力的大小有著很大的影響作用，在預應扭矩增大的情況下，錨桿預應力的損失也會不斷增大，錨桿垂直安裝的情況下效果最好。

2）巷道內采用錨桿支護的沿空留巷技術，有效抑制了沿空留巷中的圍巖變形和頂板變形問題，頂板位移量減小為130 mm，底板位移量減小為161 mm，兩幫的位移量減小為158 mm。顯著改善了沿空留巷的維護問題，而且錨桿支護提高了支護能力，減小了頂板下降位移量，有利于巷道支護體系維護。