張 蕾

（西山煤電集團屯蘭礦安監(jiān)處監(jiān)察隊， 山西 太原 030206）

引言

影響煤炭產量及生產效率的因素眾多，主要包括有煤炭綜采工作面大型機電設備的自動化程度、綜采工作面的支護效果以及采煤技術等。就綜采工作面的支護而言，錨桿支護技術較其他支護技術已經(jīng)處于領先，而且錨桿支護技術為將來綜采工作面支護的發(fā)展方向。合理的支護設計是煤礦安全生產的前提，不僅能夠提高煤炭產量，而且還能夠保證作業(yè)人員的安全。支護設計的合理性和可行性一方面取決于支護理論的先進性，另一方面與工作面圍巖、煤層以及工作面地質、水文條件相關。因此，綜采工作面巷道圍巖的支護設計是技術人員在不斷創(chuàng)新、實踐、再創(chuàng)新的努力下不斷完善而成，使其符合工作面的圍巖、煤層的特征，為取得良好的支護效果提供基礎[1-2]。本文以應用最廣泛的錨桿支護技術為研究對象，以屯蘭礦運輸順槽為載體，針對其所存在的支護問題對原有支護設計進行優(yōu)化并對優(yōu)化后的支護效果進行分析。

1 錨桿支護設計原則

簡單地說，工作面支護的主要目的是控制圍巖的變形。屯蘭礦運輸順槽所采用的支護方式為錨桿支護，為確保優(yōu)化后的支護效果有明顯提升并滿足實際生產的需求，在優(yōu)化過程中也需遵循錨桿支護設計的原則。

1.1 高強支護原則

設計時需確保錨桿具有足夠的抗拉強度、預應力和錨固力。為保證巷道圍巖的承載能力，需提升錨桿的自主支護能力，即便在實際支護中錨桿出現(xiàn)變形，也要求錨固段處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

1.2 柔性讓壓原則

由于巷道圍巖的強度較低，一旦有來壓，其塑形變形較大。當采用錨桿支護方式時無法滿足圍巖變形大的要求，從而失去錨桿應有的支護效果。因此，針對軟巖巷道應選擇高強度高延伸率的錨桿，使得錨桿能夠實現(xiàn)主動支護的效果。

1.3 三位一體原則

工作面中兩肩角、兩幫角應力集中的現(xiàn)象較為嚴重。因此，設計錨桿支護的相關參數(shù)時應將頂板、兩幫以及底板之間的相互影響考慮到其中，尤其是兩肩角和兩幫角的支護為關鍵[3]。

2 順槽原有支護分析

2.1 工作面概述

本文所研究煤礦的生產能力為60萬t/a，目前主要開采4號煤層和5號煤層。其中，4號煤層屬于薄煤層；5號煤層的平均厚度為5.08 m。本文所研究的工作面長度為713 m，傾向長度為146 m，工作面直接頂為泥巖，老頂為砂巖。其中的順槽為矩形斷面，斷面高為3.2 m，寬為5 m，工作面煤層傾角范圍為2°～5°。運輸順槽的頂板為層狀復合頂板，煤層上巖體為軟硬交替層狀巖石，并伴有少量煤矸石。在實際開采過程中，該工作面受地質條件、相關支護參數(shù)的影響，出現(xiàn)了巷道頂板下沉、兩幫收縮以及支護體被破壞的現(xiàn)象。

2.2 原有支護方案分析

該工作面采用的支護方式為錨桿支護，其頂板和兩幫的原支護參數(shù)如下：

1）頂板支護參數(shù)：錨桿間的排距為1 000 mm×1 500 mm，每排共有4根錨桿。所選錨桿為左旋無縱筋螺紋鋼筋，直徑為20 mm，長度為2 m；采用兩支不同規(guī)格的樹脂藥卷固定，一支型號規(guī)格為K2335，另一支規(guī)格為K2360。錨索間的排距為1 000 mm×3 000 mm；所選錨索為鋼絞線錨索，直徑為18.9 mm，長度為7 300 mm；錨索采用三支樹脂藥卷進行固定，一支型號為K2335，另外兩支型號為K2360；錨索托梁采用長度為0.5 m的工字鋼，垂直不至于巷道中。

2）兩幫支護參數(shù)：錨桿排距為1 500 mm，錨桿與錨桿之間的距離為1 000 mm，每排共有3根錨桿；所選錨桿的類型為左旋螺紋錨桿，直徑為18 mm，長度為1 800 mm；采用兩支規(guī)格型號為K2360的樹脂藥卷進行固定。

2.3 原支護方案下順槽變形

本文通過工作面日常生產中頂板的相對位置進行記錄，得出如圖1所示隨著時間的推移頂板下沉的監(jiān)測結果以及如圖2所示頂板的下沉速度。

圖1 工作面運輸槽頂板下沉量

圖2 工作面運輸槽頂板下沉速度

分析圖1可知，工作面開采到第12 d后頂板的變形逐漸趨于穩(wěn)定，即開采12 d后頂板的下沉量趨于最大；分析圖2可知，開采的第2 d頂板的下沉速度最大。造成上述現(xiàn)象的主要原因為支護抵抗頂板垂直載荷的效果較差，導致工作面頂板的下沉量較大。因此，需對工作面運輸槽的原有支護方案進行優(yōu)化并改進。

3 工作面支護參數(shù)的優(yōu)化

3.1 順槽錨桿支護參數(shù)的優(yōu)化設計

由于錨桿固定時外露的長度要求為0.1 m，錨桿的有效長度為1.8 m。因此，錨桿的總長度最短為1.9 m。錨桿進入巖層內的深度為500 mm，故設計錨桿長度為2.5 m。

所選錨桿為直徑20 mm的左旋螺紋鋼錨桿，根據(jù)該型號錨桿的相關參數(shù)計算得出錨桿承受煤體的重力，如式（1）所示[4]：

式中：G代表錨桿承受煤體的重力；k代表動壓影響系數(shù)，k=0.018 4；D代表錨桿的排距，取D=3.3 m；S代表冒落包絡線內巖體的截面積，S=1.8 m2；γ代表頂板巖體的容重，取γ=2 kN/m3[5]。將上述參數(shù)帶入式（1）得：錨桿所承受煤體的重力為173.55 kN。

由于所選錨桿的屈服強度為65 kN，則每排錨桿的根數(shù)為173.55/65=4.67。則，取每排錨桿的根數(shù)為5根。

綜上所述，該工作面順槽的支護參數(shù)如下：每排錨桿數(shù)量為5根，錨桿選用直徑為20 mm的左旋螺紋鋼錨桿，且錨桿間排距為900 mm×1 400 mm。

根據(jù)上述錨桿的選型，根據(jù)錨索計算得出錨索的參數(shù)優(yōu)化結果：所選的錨索為直徑為20 mm低松弛鋼絞線，型號為L8300；錨索間的排距為1 600 mm×1 400 mm，錨固長度為1.5 m。

3.2 優(yōu)化效果分析

將優(yōu)化后的支護方案應用于工作面順槽中，并對應用后的效果進行跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化支護方案下頂板下沉量

表1 優(yōu)化前后支護效果對比分析 mm

除了對頂板下沉量進行監(jiān)測外，還對兩幫的收斂情況進行了對比分析，如表1所示。

分析表1可知，對原支護方案進行優(yōu)化后，在開采過程中頂板的下沉量、兩幫收斂量兩項數(shù)據(jù)均有很大的改善，說明優(yōu)化后的支護方案支護效果極佳。

4 結語

工作面的支護效果直接決定綜采工作面生產的安全性，進而決定著綜采工作面的生產效率。在實際開采中，應綜合考慮工作面的地質條件、水文條件、煤層特征等因素，確保所設計的支護方案能夠達到最佳的支護效果，為煤礦安全、高效生產奠定基礎。