杜旭文

（霍州煤電集團(tuán)金能煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 035100）

引言

隨著煤礦采煤工藝、采煤技術(shù)及綜采設(shè)備自動化水平的不斷提升，工作面的采煤效率提升效果顯著，進(jìn)而對煤礦工作面生產(chǎn)的安全性提出了更高的要求。巷道支護(hù)效果是保證整個(gè)工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素[1]。目前，應(yīng)用于煤礦掘進(jìn)工作面、綜采工作面巷道支護(hù)的最常用的手段為錨桿（索）支護(hù)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)錨桿（索）支護(hù)存在不耦合支護(hù)和支護(hù)參數(shù)不確定的問題，進(jìn)而導(dǎo)致巷道支護(hù)失敗、巷道變形嚴(yán)重或者支護(hù)過度導(dǎo)致支護(hù)成本過高。因此，開展錨桿（索）支護(hù)機(jī)理研究是十分有必要的。

1 工程概況

本文以某煤礦為研究對象，某煤礦的年生產(chǎn)能力為120 Mt，共包括有四個(gè)采區(qū)且共有三個(gè)采區(qū)可開采。該煤礦回采巷道為煤頂巷道，煤層厚度為3 m；煤層傾角范圍為1°～7°，該煤層屬于近水平厚煤層。工作面頂?shù)装迩闆r如表1所示。

分析表1可知，由于工作面頂板泥巖的吸水性較大導(dǎo)致其容易軟化，從而影響了工作面整個(gè)頂板的穩(wěn)定性。隨著巷道工作面的不斷推進(jìn)，在頂板動載荷的作用下，工作面巷道可能存在出現(xiàn)冒頂、片幫以及掉塊的事故發(fā)生[2]。目前，工作面頂板采用全部垮落法進(jìn)行管理，工作面進(jìn)風(fēng)順槽采用錨桿+錨索支護(hù)+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)的形式。為確保工作面巷道的安全生產(chǎn)，需加強(qiáng)對工作面巷道的支護(hù)管理。

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

2 錨桿（索）聯(lián)合支護(hù)機(jī)理

錨桿分為錨固端、自由端和外露端。錨固端基于藥卷等錨固劑將錨桿與圍巖緊密結(jié)合。錨索分為鋼絞線、鎖具和錨固劑三部分組成。根據(jù)錨索錨固端的受力情況可分為拉力分散型錨索、壓力分散型錨索、拉壓分散型錨索。

2.1 回采巷道錨桿支護(hù)機(jī)理

錨桿對巷道圍巖的支護(hù)效果在一定程度上受制于巖體的結(jié)構(gòu)類型。針對不同的巖體類型，錨桿所起的作用不同。其中，針對巖層強(qiáng)度較低的巖體，錨桿的主要作用是增加巷道圍巖巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度；針對層狀巖體而言，錨桿的主要作用是為工作面巷道圍巖提供懸吊力；針對工作面的完整巖體而言，錨桿的主要作用是改善圍巖的受力狀態(tài)，進(jìn)而減小頂板動載荷對圍巖的變形和破壞[3]。

2.2 回采巷道錨桿（索）聯(lián)合支護(hù)機(jī)理

錨索支護(hù)在巷道圍巖的應(yīng)用可提供較大錨固力、施加加大預(yù)緊力等優(yōu)勢。當(dāng)錨桿支護(hù)不能達(dá)到圍巖的關(guān)鍵承載層，必須引入錨索支護(hù)。錨索支護(hù)可進(jìn)一步提升巷道圍巖的穩(wěn)定性和巷道巖體的抗剪強(qiáng)度。

錨桿（索）的聯(lián)合支護(hù)可實(shí)現(xiàn)工作面巷道圍巖的強(qiáng)度耦合、剛度耦合和結(jié)構(gòu)耦合。

3 回采巷道支護(hù)現(xiàn)狀

目前，某煤礦工作面巷道采用錨桿+錨索的聯(lián)合支護(hù)方式，巷道斷面的形狀如下頁圖1所示。

錨桿參數(shù)如下：直徑為20 mm，長度為2 200 mm，每排錨桿之間間距為800 mm，錨桿與錨桿之間的間距為1 000 mm；左幫錨桿的直徑為18 mm，長度為1 800 mm，每排錨桿之間間距為750 mm，錨桿與錨桿之間的間距為800 mm；右?guī)湾^桿的直徑為18 mm，長度為1 800 mm，每排錨桿之間間距為750 mm，錨桿與錨桿之間的間距為800 mm。其中，頂錨桿的預(yù)應(yīng)力為60 kN，左幫錨桿預(yù)應(yīng)力為40 kN，右?guī)湾^桿的預(yù)應(yīng)力為40 kN。

錨索的參數(shù)如下：錨索類型為鋼絞線，直徑為17.8 mm，錨索長度為840 mm，每排錨索的間距為1 900 mm，錨索與錨索的間距為3 000 mm。錨索的預(yù)應(yīng)力為200 kN。

圖1 工作面巷道斷面示意圖（單位：mm）

4 錨桿（索）聯(lián)合支護(hù)數(shù)值模擬

4.1 回采巷道錨桿（索）數(shù)值模擬的驗(yàn)證

根據(jù)某煤礦工作面3號煤層建立如圖2所示的模型。

圖2 3號煤層工作面模型

如圖2所示，3號煤層工作面的尺寸為100 m×100 m×40 m，巷道形狀為矩形。根據(jù)實(shí)際情況將模型上邊界設(shè)定為自由邊界，承受頂部煤層巖層的重力。在距離工作面82 m、72 m、62 m、52 m、42 m、32 m、22 m、12 m以及2 m下對巷道圍巖的變形和受力情況進(jìn)行仿真分析。

4.2 回采巷道錨桿（錨索）數(shù)值模擬結(jié)果的分析

1）當(dāng)距離工作面距離為60 m，巷道頂板的變形量達(dá)到最大且最大變形量為90 mm；隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，頂板的變形量逐步減小。經(jīng)分析可知，造成上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)轫敯宄醮蝸韷骸?/p>

2）當(dāng)距離工作面的距離為20 m，巷道頂板的下沉量再次呈現(xiàn)上升趨勢；且當(dāng)距離工作面的距離為2 m時(shí)，巷道頂板的下沉量達(dá)到最大，且下沉量為110 mm。綜上所述，巷道頂板的下沉量及變形量均很小，在可控制的范圍之內(nèi)。

3）隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面巷道兩幫的變形量不斷增大，且最大變形量為煤壁側(cè)幫，其變形量為35 mm；工作面?zhèn)认飵偷淖冃瘟繛?8 mm。

經(jīng)數(shù)值模擬分析可知，所設(shè)計(jì)錨桿（索）聯(lián)合支護(hù)下工作面巷道頂板、側(cè)幫的變形量均非常小，在可控范圍之內(nèi)。

5 錨桿（索）聯(lián)合應(yīng)用效果的監(jiān)測

將所設(shè)計(jì)的錨桿（索）支護(hù)參數(shù)應(yīng)用于3號煤層工作面巷道的支護(hù)中，并對3號煤層工作面的巷道礦壓進(jìn)行監(jiān)測。具體監(jiān)測項(xiàng)目包括有：巷道表面的位移、巷道的離層狀況、錨桿（索）的受力情況[4]。具體監(jiān)測結(jié)果如下：

1）工作面巷道頂板的離層值為0，即說明巷道頂板的無離層現(xiàn)象；

2）工作面巷道頂?shù)装逡平繛?，兩幫的移近量同樣為0。即說明，在錨桿（索）的聯(lián)合支護(hù)作用下，工作面巷道不存在變形，具有較佳的支護(hù)效果。

3）工作面巷道兩幫的載荷值為10.42 kN；靠近工作面頂錨桿的載荷穩(wěn)定在64 kN，遠(yuǎn)離工作面頂錨桿的載荷最小為10.02 kN；遠(yuǎn)離工作面頂錨索的載荷最小為18.8 kN，側(cè)錨索的載荷為25 kN。綜上所述，該支護(hù)參數(shù)下錨桿（索）可為工作面巷道圍巖提供足夠的錨固力[5]。

6 結(jié)語

煤礦巷道的支護(hù)效果直接決定工作面的安全性，進(jìn)而決定工作面的采煤效率。應(yīng)用當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的錨桿+錨索的聯(lián)合支護(hù)，可根據(jù)工作面巷道圍巖情況、頂?shù)装迩闆r以及煤層特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)，確保所設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)既能夠起到支護(hù)效果，也不會出現(xiàn)支護(hù)過度的現(xiàn)象，即，在保證工作面安全生產(chǎn)的同時(shí)，達(dá)到減少支護(hù)成本的目的。