煤礦快速掘進頂板穩定性高性能錨桿支護的工業性試驗

張 晉

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030053）

引言

煤巖巷道掘進由多個工序交替完成，包括破、裝、運、支和測五大工序。目前，巷道掘進效率與開采效率不相匹配導致煤礦整體上的生產能力無法再提升。影響煤巖巷道快速掘進的因素除了掘進設備自動化、智能化水平外，還與各個工序之間的配合程度息息相關。煤巖巷道的支護效率、支護效果是保證巷道快速掘進任務完成和掘進安全性的主要因素，尤其是對于煤巖巷道頂板圍巖穩定性的控制[1]。因此，為保證煤巖巷道的快速掘進，本文將從提高支護效率和支護效果兩個層面著手研究。

1 16 號煤層工程概況

本文以利民煤礦的16 號煤層所屬工作面為例開展研究，該工作面煤層的厚度范圍為3.3～8.7 m，煤層平均厚度為7.2 m；工作面煤層的傾角范圍為3°～12°，煤層平均傾角為6°。16 號煤層所屬工作面的頂底板地質條件如表1 所示。

表1 16 號煤層所屬工作面頂底板地質條件

經探測，該工作面的正常涌水量為5.2 m3/h，最大涌水量可達95 m3/h。

2 頂板穩定高性能錨桿支護設計

首先對影響煤巖巷道頂板穩定性的因素及其規律進行分析；其次，根據影響規律分析并結合16 號煤層所屬工作面的頂底板地質條件進行合理的錨桿設計。

2.1 影響頂板穩定性的規律分析

通過理論分析，頂板深跨比和下沉會對煤巖巷道的支護造成影響；反之，支護強度和循環步距均會對頂板的穩定性造成影響。相關規律總結如下：

1）基于巷道支護強度對頂板下沉的力學模型，對巷道幫部進行錨桿支護后能夠提高錨桿支護整體的抗壓和抗剪能力，從而減小工作面圍巖的破碎區域和塑性變形區域。

2）巷道兩幫巖體的變形會直接對頂板圍巖的穩定性造成影響。因此，為保證巷道頂板的穩定性，在對其頂板進行常規支護的同時應加強對巷道兩幫的支護，從而減小煤巖巷道頂板巖梁的跨度[2]。

3）錨桿的整體支護強度足夠大時可使支護結構與煤巖巷道的頂板形成共同承載體；當支護強度較小時還需頂板發生一定量的變形后才能保證支護結構為一個整體。

2.2 頂板穩定高性能支護

基于對影響頂板穩定性規律的分析基礎，為實現對煤巖巷道的快速掘進，保證巷道頂板圍巖的穩定性，需為其配置高強度、高預應力和高系統剛度的錨桿支護體系。因此，需要強化錨桿的承載性能、破裂圍巖體強度和巷道圍巖的結構。

影響頂板穩定性的因素主要包括有錨桿預緊力、錨桿間排距和錨固長度。從理論上看，錨桿預緊力越大越有利于對頂板圍巖的破碎層進行控制，但是也受隨之帶來的拉應力區域的影響。錨桿間排距越小，越能夠提高整個區域內圍巖的穩定性；但是，間排距過小會增加支護工作量，增加支護成本，降低支護效率，影響巷道的快速掘進任務。錨固長度越大，對應圍巖所承受的壓縮區域越小，為保證對巷道頂板圍巖的穩定控制一般采用分段錨固的方法進行支護。本節將通過數值模擬手段對上述參數的合理范圍進行確定。

2.2.1 錨桿支護參數的確定

設定頂板錨桿的間排距為900 mm、1 000 mm，錨桿數量為6 根，兩幫錨桿的間排距為1 100 mm×1 000 mm，錨桿數量為4 根，頂板和兩幫錨桿直徑均為22 mm，預緊力均為80 kN。在上述參數確定的基礎上對錨桿長度為2.2 m、2.5 m 和2.8 m 對應的圍巖X軸方向的水平應力、圍巖塑性變形以及圍巖位移特征進行對比，對比結果如圖1、圖2、圖3 所示。

（1）如果有多個系統需要進行登錄、認證，管理員的維護和管理的成本將會大幅增加，并隨著規模的增加，維護難度會增加。

圖1 不同錨桿長度X 軸方向應力云圖

圖2 不同錨桿長度圍巖塑性區分布特征

圖3 不同錨桿長度圍巖位移分布特征

由圖1、圖2、圖3 可知，隨著錨桿長度的增加，對應煤巖巷道變形量由400 mm 減小至280 mm，X 軸應力從33 MPa 減小至26 MPa，同時圍巖塑性變形區域也減小。綜上，將錨桿長度設定為2.8 m。

同理，分別對不同錨桿預緊力、間距和排距下煤巖巷工作面圍巖的塑性變形分布區域、變形量以及X軸方向應力等進行對比后得出適用于16 號煤層所屬工作面的具體支護參數如下：錨桿預緊力大于80 kN，錨桿間排距為900 mm、1 000 mm，錨桿長度為2.8 m。

2.2.2 支護方案的確定

在上述數值模擬分析的基礎上，最終確定的支護方案如圖4 所示。

圖4 錨桿支護方案（單位：mm）

3 頂板穩定高性能錨桿支護工業性試驗

將上述錨桿支護方案應用實施于16 號煤巖巷道的掘進中，對錨桿支護的效果和巷道的掘進效率進行綜合評估。

3.1 支護效果評估

煤巖巷道支護效果主要通過對巷道表面位移的觀測結果進行評估。根據16 號煤層煤巖巷道的實際情況制定了有效的觀測方案，在為期30 d 的觀測期間內，煤巖巷道頂板和兩幫的移近量如圖5 所示。

圖5 煤巖巷道支護效果評估

如圖5 所示，隨著時間的推移，工作面兩幫和頂底板的移近量逐漸趨于穩定。其中，兩幫的移近量相對值為103 mm，頂板移近量的相對值為78 mm，二者均在可控范圍之內。

3.2 掘進效果驗證

對煤巖巷道采用上述錨桿支護后，對掘進設備進行優化配套，工作面的掘進效率對比如表2 所示。

表2 煤巖巷道掘進效率對比

如表2 所示，優化后工作面每天掘進推進的進尺速度增加100%，極大地提升了煤巖巷道的掘進速度，達到了快速掘進的目的。

4 結語

實現對煤巖巷道的快速掘進對于提高煤礦的生產能力具有重要意義。從某種程度上講，提高對煤巖巷道的快速、高效支護是實現快速掘進的關鍵。本文以16 號煤層煤巖巷道為例開展研究，確定其錨桿支護參數并開展工業性試驗，總結如下。

1）適用于16 號煤層所屬工作面的具體支護參數如下：錨桿預緊力大于80 kN，錨桿間排距為900 mm、1 000 mm，錨桿長度為2.8 m。

2）優化后工作面每天掘進推進的進尺速度增加100%，極大地提升了煤巖巷道的掘進速度，達到了快速掘進的目的。

3）兩幫的移近量相對值為103 mm，頂板移近量的相對值為78 mm，二者均在可控范圍之內。