靳如亮

（西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

巷道支護作為保證綜采工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝，其支護效果受眾多因素的影響。就錨桿支護而言，我國經(jīng)歷了木錨桿、圓鋼錨桿、普通螺紋鋼錨桿的發(fā)展，其可靠性、剛度及強度均上了一個新的臺階，與其相關(guān)的支護技術(shù)也從單體錨桿階段、組合錨桿階段發(fā)展為當(dāng)前的預(yù)應(yīng)力錨桿階段。不同階段影響最終支護效果的因素不同[1]，其中，作為當(dāng)前主流支護技術(shù)的預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)，影響其最終支護效果的核心因素為錨桿的預(yù)應(yīng)力大小。本文以西銘礦48708綜采工作面為載體，重點研究錨桿預(yù)應(yīng)力對該工作面巷道最終支護效果的影響。

1 工程背景

48708工作面走向長度為1 817 m、傾斜長度為187.4 m、面積為 340 505.8 m2，傾角為 2°～11°，平均5°。該工作面所采8號煤層裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡單，局部地段煤層下部夾0.2 m的頁巖或炭質(zhì)頁巖，厚度變化不大，屬于穩(wěn)定煤層。

煤層頂板（偽頂、直接頂、老頂）：描述煤層頂板巖石性質(zhì)、層理、節(jié)理、厚度、強度（硬度）、頂板分類等情況及其變化情況。煤層頂板情況如表1所示。

水文條件：該綜采工作面最大涌水量25 m3/h，正常涌水量為0～5 m3/h。瓦斯絕對涌出量為2m3/min。煤塵爆炸指數(shù)為21.33%（煤塵具有爆炸性），自燃傾向性等級為Ⅱ級（易自燃）。

2 預(yù)應(yīng)力錨桿的支護機理研究

隨著綜采工作面巷道的開挖，破壞了該工作面巷道圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，從而造成了巷道圍巖的應(yīng)力集中狀態(tài)。即，將原先的三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槎蛏踔羻蜗驊?yīng)力狀態(tài)，使得圍巖的承載能力大打折扣[2]。故，需對正在生產(chǎn)的工作面巷道進行支護。預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)作為當(dāng)前的主流支護技術(shù)，主要從以下幾個方面改善巷道圍巖的狀態(tài)，進而提升其承載能力。

表1 煤層頂板情況

1）預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)能夠為巷道圍巖提供表面支護抗力，進而確保巷道圍巖不會繼續(xù)朝著有害變形的方向發(fā)展。此外，高預(yù)應(yīng)力錨桿還能夠?qū)⑾锏绹鷰r的承載能力和控制頂板位移能力上升新的臺階。

2）基于預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)能夠?qū)⑾锏绹鷰r形成一個整體，使得其圍巖強度得到了提升，能夠承受頂板給予的徑向載荷。

3）基于預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)能夠避免巷道圍巖強度降低，進一步從受力狀態(tài)及應(yīng)力場方向優(yōu)化圍巖力學(xué)參數(shù)。

4）采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護能夠使得錨桿支護特性曲線前移。預(yù)應(yīng)力錨桿能夠促使圍巖與錨桿融為一體，極大地提升其承載能力，避免圍巖與錨桿被分別擊破的現(xiàn)象發(fā)生[3]。

綜上所述，采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護能夠?qū)⑾锏绹鷰r的支護效果提升到更高的層次，使其支護能力得到顯著提升。

3 預(yù)應(yīng)力錨桿支護效果驗證

為了從定量的角度分析預(yù)應(yīng)力錨桿是如何提升綜采工作面巷道的支護效果。本文對錨桿施加不同大小的預(yù)應(yīng)力，并對現(xiàn)場的支護效果進行對比分析。

3.1 綜采工作面支護方案

選取48708綜采工作面其中的一個梯形巷道為研究對象，并對該斷面采用錨桿支護的方案。該巷道斷面及支護方案如圖1所示。

圖1 巷道支護方案示意圖（單位：mm）

如圖1所示，該巷道采用錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梁的支護方案。其中，所選錨桿的直徑為25 mm，長度為2 400 mm。針對頂板支護錨桿之間的間距為900 mm，錨桿排距為800 mm，每排錨桿數(shù)量為12根；針對上幫支護錨桿間距為1 100 mm，錨桿排距為800 mm，每排錨桿數(shù)量為12根；針對下幫支護錨桿間距為800 mm，錨桿排距為800 mm，每排錨桿數(shù)量為12根。

3.2 支護效果對比分析

基于上述錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梁的支護方式，安裝時將錨桿的預(yù)緊扭矩設(shè)定為300 N·m和600 N·m兩種，對比分析不同預(yù)緊扭矩錨桿的支護效果。其中，與300 N·m預(yù)緊扭矩對應(yīng)的預(yù)緊力為50 kN，與600 N·m預(yù)緊扭矩對應(yīng)的預(yù)緊力為75 kN[4]。巷道的支護效果通過巷道表面位移、頂板離層結(jié)果及錨桿的受力情況三個方面體現(xiàn)。

3.2.1 巷道表面位移情況

通過對巷道兩幫的移近量及其移近速度與頂板位移量及速度進行監(jiān)測，得出如表2所示的結(jié)果。

如表2所示，隨著錨桿預(yù)緊力的增加，兩幫及頂板的位移量均在減少，且兩幫及頂板的移動速度均降低。

表2 不同預(yù)緊力錨桿巷道表面位移量及速度對比分析

3.2.2 巷道頂板離層情況

采用巷道頂板離層指示儀對巷道頂板的離層情況進行監(jiān)測，得出如表3所示的結(jié)果。

如表3所示，隨著錨桿預(yù)緊力的增加，頂板離層量明顯降低。

表3 不同預(yù)緊力錨桿支護的頂板離層情況

3.2.3 錨桿受力情況

不同預(yù)緊力下1—4號位置的錨桿受力情況如表4所示。

表4 不同預(yù)緊力錨桿受力情況分析

如表4所示，隨著錨桿預(yù)緊力的增加錨桿最終受力大小與最初受力大小之間的差值不斷縮小，在有些點最終受力與初始值相等。說明：隨著錨桿預(yù)緊力的增加，錨桿支護的穩(wěn)定性在不斷提升[5]。

4 結(jié)語

預(yù)緊力錨桿支護作為當(dāng)前綜采工作面巷道支護的主流方法，能夠?qū)㈠^桿與圍巖融為一體，使其不易被分別擊破，從整體上提升了巷道圍巖的承載能力。經(jīng)試驗表明，隨著錨桿預(yù)緊力的增加，巷道表面位移量、頂板離層量以及錨桿初始受力與最終受力的差值明顯降低。說明采用適當(dāng)預(yù)緊力的錨桿支護能夠明顯提升其支護效果。