柳春

（呼倫貝爾蒙西煤業(yè)公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

現(xiàn)在，我國(guó)各個(gè)礦區(qū)的煤礦回采已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，回采工作面的工作設(shè)備規(guī)格也越來(lái)也大，相應(yīng)的產(chǎn)量、開(kāi)采強(qiáng)度在不斷提升。為確保煤礦回采的正常運(yùn)輸以及巷道的正常通風(fēng)，巷道斷面在不斷擴(kuò)大。各地淺層煤礦資源賦存量持續(xù)減少，礦區(qū)回采巷道朝著深、大的方向不斷發(fā)展。這就給巷道支護(hù)提出了更高的要求，一般情況下，針對(duì)深部、特厚煤層綜采放頂煤開(kāi)采，要想在確保安全性、穩(wěn)定性的同時(shí)，提高生產(chǎn)效率以及采煤效果，要合理擴(kuò)大巷道斷面，而國(guó)內(nèi)當(dāng)前的巷道支護(hù)技術(shù)以錨噴技術(shù)為主，錨桿是支護(hù)體系中的主要承載結(jié)構(gòu)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)約有60%的重點(diǎn)煤礦均采用錨桿支護(hù)，而錨桿支護(hù)在實(shí)際應(yīng)用中也表現(xiàn)出了一定的問(wèn)題。一是巷道支護(hù)采用的錨桿強(qiáng)度有待提升，多數(shù)煤礦的錨桿屈服強(qiáng)度僅在370MPa左右，拉斷強(qiáng)度在550MPa左右，在同等支護(hù)強(qiáng)度條件下，因?yàn)殄^桿的強(qiáng)度較低，所以需要減小錨桿的布置間距；二是錨桿本身的剛度有待進(jìn)一步提升，部分研究表明，在高預(yù)緊條件下，只有少數(shù)高強(qiáng)度錨桿或者全長(zhǎng)錨固錨桿能夠滿足高強(qiáng)度支護(hù)的要求。而目前多數(shù)礦區(qū)錨桿的預(yù)緊力僅控制在100N/m左右，預(yù)緊力大多在17kN左右。由此可見(jiàn)，煤礦巷道采用高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的主要難題，本文正立足于這一現(xiàn)實(shí)背景，對(duì)煤礦采煤掘進(jìn)中高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行詳盡論述。

1 錨桿支護(hù)理論發(fā)展以及錨桿材料的研發(fā)

1．1 錨桿支護(hù)理論

錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，該技術(shù)也得到了學(xué)者的深入研究以及廣泛探討，時(shí)至今日，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有逾越十?dāng)?shù)中錨桿支護(hù)理論，如錨桿加固拱理論、錨桿懸吊理論、錨桿組合梁理論等，這些支護(hù)理論在實(shí)踐中起到了諸多積極作用。但是，就當(dāng)前的權(quán)威研究成果來(lái)看，多數(shù)有關(guān)錨桿支護(hù)的理論都較為片面，操作性較差。近幾年，國(guó)內(nèi)外煤礦開(kāi)采均朝著深、高負(fù)載的方向發(fā)展，巷道支護(hù)要求越來(lái)越高，故行業(yè)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，錨桿支護(hù)理論的研究也有了較為突出的進(jìn)展。錨桿的錨固和圍巖強(qiáng)度、圍巖滑動(dòng)、圍巖離層、圍巖節(jié)理裂隙張開(kāi)等均有較為突出的約束效果，并在保證圍巖穩(wěn)定性方面有著極高的重要性，這些新的認(rèn)識(shí)以及研究結(jié)論對(duì)于高強(qiáng)度支護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件有著重要的指導(dǎo)意義。

1．2 高強(qiáng)度錨桿材料

當(dāng)前提高錨桿材料強(qiáng)度的成熟方法大概可分為兩種，一種是根據(jù)巷道實(shí)際情況，開(kāi)發(fā)錨桿錨固專(zhuān)用的鋼材；二是對(duì)傳統(tǒng)的錨桿進(jìn)行強(qiáng)化處理。本文所論述的高強(qiáng)度錨桿，結(jié)合上述兩種辦法進(jìn)行，從材料開(kāi)發(fā)、選擇開(kāi)始就采用高強(qiáng)度的錨桿材料，比如，可在錨桿中增加Nb、Ti、V等等金屬元素，以改變錨桿的力學(xué)性能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，合理調(diào)整錨桿原材料、Nb、Ti、V等等金屬元素的配比，可制造出SMG600巷道錨固錨桿，錨桿的屈服強(qiáng)度在600MPa以上，抗拉強(qiáng)度在800MPa以上，錨桿的延展率在20%以上。

2 煤礦采煤掘進(jìn)中高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

基于上述的材料、錨桿理論，某礦區(qū)對(duì)該技術(shù)方法進(jìn)行了試驗(yàn)以及推廣應(yīng)用。該巷道工作面的主要回采煤層為3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)煤層，煤層平均厚度為13.55m，煤層的穩(wěn)定性較強(qiáng)、厚度較大，傾角在4°左右，是礦區(qū)井田內(nèi)主要可回采的煤層。但是，該巷道通過(guò)的巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由高嶺質(zhì)泥巖、高嶺巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等構(gòu)成。巷道煤層的頂板為炭質(zhì)泥巖、粉砂巖等構(gòu)成，巷道底板由粉砂巖、高嶺質(zhì)泥巖構(gòu)成。本文著重論述的巷道為工作面的回風(fēng)巷，巷道掘進(jìn)方向順應(yīng)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)煤層的方向，巷道受到周邊火成巖的影響，穩(wěn)定性相對(duì)較差，頂板、底板斷裂的可能性突出，且巷道周邊的圍巖持力性低，離層的概率高，有出現(xiàn)范圍性破壞風(fēng)險(xiǎn)的可能性。巷道斷面整體為矩形，高度為33.9m，寬度為5.5m，其平均抗壓強(qiáng)度為13MPa，垂直應(yīng)力約為11MPa，水平主應(yīng)力約為13MPa。

2．1 高強(qiáng)度支護(hù)設(shè)計(jì)

利用FLAC進(jìn)行數(shù)值分析，確定支護(hù)參考數(shù)據(jù)，在確定數(shù)值過(guò)程中，對(duì)多種支護(hù)方案進(jìn)行了有效對(duì)比，結(jié)果為：在錨桿長(zhǎng)度、錨桿直徑不變的情況下，若錨桿的預(yù)緊力發(fā)生變化，那么，巷道圍巖應(yīng)力的分布狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，錨桿的預(yù)緊力矩為200N/m時(shí)，錨桿的預(yù)緊力為60kN；錨桿的預(yù)緊力矩為300N/m時(shí)，錨桿的預(yù)緊力為80kN；錨桿的預(yù)緊力矩為400N/m時(shí)，錨桿的預(yù)緊力為107kN。預(yù)應(yīng)力和錨索的直徑不發(fā)生變化的情況下，錨桿的長(zhǎng)度和巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)有直接關(guān)系。錨桿長(zhǎng)度和預(yù)應(yīng)力數(shù)值不變的情況下，錨桿直徑和巷道圍巖的力場(chǎng)分布有直接關(guān)系。預(yù)應(yīng)力決定了錨桿支護(hù)體系的剛度、穩(wěn)定性、安全性，F(xiàn)LAC分析顯示，在錨桿預(yù)應(yīng)力控制在20kN左右時(shí)，錨桿支護(hù)在圍巖中產(chǎn)生的最大附加應(yīng)力大約在0.25MPa左右，但是，錨桿支護(hù)形成的應(yīng)力約束區(qū)域相對(duì)較小，各個(gè)區(qū)域應(yīng)力的分布狀態(tài)相對(duì)孤立，不能形成一個(gè)完善且穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)，若不斷提高預(yù)應(yīng)力值，錨桿支護(hù)形成的應(yīng)力約束區(qū)域也就越大，根據(jù)測(cè)算，在預(yù)應(yīng)力控制在60kN左右時(shí)，圍巖中的最大附加應(yīng)力約為0.55MPa，該礦區(qū)的巷道應(yīng)力可得到全面約束，形成一個(gè)高強(qiáng)度的支護(hù)體系，錨桿支護(hù)可發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)的作用。錨桿的長(zhǎng)度越大，錨桿支護(hù)產(chǎn)生的壓應(yīng)力影響厚度以及范疇也越大，但是錨桿的中上部分壓應(yīng)力卻會(huì)因此減小，并且，在外部基礎(chǔ)條件一定的情況下，錨桿達(dá)到長(zhǎng)度越大，預(yù)應(yīng)力施加作用越不明顯，錨桿支護(hù)體系的穩(wěn)定性越差。

根據(jù)上述分析結(jié)果以及礦區(qū)既往的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，確定巷道采用高強(qiáng)度錨桿+錨索組合的支護(hù)體系，錨桿的直徑為22mm，型號(hào)為BHRB600，錨桿的長(zhǎng)度為2400mm，錨桿預(yù)應(yīng)力力矩控制在400N/m以上，加固采用菱形金屬網(wǎng)、4mm鋼帶，頂板錨固采用的錨索直徑為22mm，鋼絞線材料為低松弛度預(yù)應(yīng)力材料，長(zhǎng)度為8.3m，錨桿和錨索的比例為2：3，均采用垂直支護(hù)的模式，錨索的預(yù)緊力控制在125kN左右。

2．2 支護(hù)效果

在掘進(jìn)的過(guò)程中，對(duì)支護(hù)體系以及圍巖進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掘進(jìn)過(guò)程中，兩幫的偏移量最大為25mm，頂板的偏移量最大為16mm。回采過(guò)程中，受到回采過(guò)程的影響，圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生較大的變化，存在圍巖巷道輕微變形的情況，但是，基本都在支護(hù)控制范圍內(nèi)，巷道的狀態(tài)完全能夠滿足通風(fēng)要求以及運(yùn)輸要求。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，錨桿支護(hù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)煤礦巷道掘進(jìn)主要采用的支護(hù)體系，主要通過(guò)對(duì)錨桿施加預(yù)緊力產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力區(qū)，同時(shí)錨桿和錨索協(xié)同工作，形成一個(gè)完善、穩(wěn)定的承載支護(hù)體系，并對(duì)巷道周邊的圍巖起到強(qiáng)化、穩(wěn)固作用。大斷面煤巷錨桿支護(hù)的穩(wěn)定性和錨桿的長(zhǎng)度、布置密度、錨桿材料、錨桿的直徑、預(yù)應(yīng)力、預(yù)緊力有直接關(guān)系，錨桿的強(qiáng)度、剛度、長(zhǎng)度越大，那么，所需要施加的預(yù)應(yīng)力也就越大。廣大從業(yè)者應(yīng)對(duì)上述的內(nèi)容也有足夠的認(rèn)識(shí)以及了解，若巷道周邊的圍巖條件較差，且支護(hù)要求較高，應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，根據(jù)圍巖的破碎情況以及離層可能性對(duì)錨桿的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以提高支護(hù)效果，構(gòu)建出一個(gè)安全且穩(wěn)定的高強(qiáng)度錨桿支護(hù)體系。