＊郝曉飛

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左權(quán)宏遠(yuǎn)煤業(yè)有限公司 山西 032600）

引言

我國(guó)90%以上的煤礦開(kāi)采工作在井下進(jìn)行，因此巷道穩(wěn)定性對(duì)于采煤掘進(jìn)工作而言是極為重要的，沒(méi)有穩(wěn)定的巷道做基礎(chǔ)，在持續(xù)采煤掘進(jìn)過(guò)程中，巷道會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性下降，變形甚至塌方的情況，而想要提升巷道穩(wěn)定性，強(qiáng)化其承載能力就必須從相應(yīng)支護(hù)技術(shù)入手，根據(jù)井下巖層情況決定具體的支護(hù)方案。

目前來(lái)看，不少煤礦，其礦井周圍巖層穩(wěn)定性相對(duì)較差，存在軟頂和軟頂硬頂相結(jié)合的情況，在這種情況下，采用高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，能夠在最大限度控制投資成本的基礎(chǔ)上有效強(qiáng)化巷道穩(wěn)定性。高強(qiáng)支護(hù)主要利用錨桿、鋼絲網(wǎng)、錨索等相應(yīng)支護(hù)設(shè)備，雖然采用的技術(shù)都屬于傳統(tǒng)支護(hù)技術(shù)，但將其進(jìn)行科學(xué)組合后，能夠?qū)ΦV井周圍巖層起到較好的支撐懸吊作用，整體效果較好。下文將對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)概述

根據(jù)當(dāng)前我國(guó)煤礦井下開(kāi)采巷道支護(hù)實(shí)際情況來(lái)看，絕大多數(shù)單位采取錨桿支護(hù)為主，輔以其他支護(hù)技術(shù)的支護(hù)方案。雖然在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，其支護(hù)情況也能滿足基本采煤掘進(jìn)需求，但是在效率成本方面始終難以與支護(hù)安全性相平衡。多數(shù)單位仍未明確高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)理論，在開(kāi)采掘進(jìn)過(guò)程中為增加支護(hù)強(qiáng)度，往往采取增加錨桿密度、增加錨桿長(zhǎng)度等投入高、效果差的方法。而這種方式不僅拖延了整體掘進(jìn)速率，而且在成本方面也造成大量的浪費(fèi)，在實(shí)施此類支護(hù)方案后，整體巷道強(qiáng)度并未得到明顯增強(qiáng)。

巷道支護(hù)效果直接影響整個(gè)井下作業(yè)安全，保障支護(hù)強(qiáng)度能夠有效減少煤礦安全事故發(fā)生率，同時(shí)即使發(fā)生了一系列非技術(shù)性原因的安全事故，由于有高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)的保障，也能夠最大程度減少人員傷亡。從高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)重心上來(lái)看，其技術(shù)核心是錨桿支護(hù)技術(shù)，因此在研究高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)的過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)分析錨桿支護(hù)相關(guān)內(nèi)容。而在分析錨桿技術(shù)時(shí)，應(yīng)注意對(duì)其力學(xué)情況以及錨桿具體布置情況進(jìn)行分析，錨桿在何種頂板上應(yīng)采取怎樣的支護(hù)方案，錨桿本身應(yīng)通過(guò)哪些方向的調(diào)整來(lái)增加支護(hù)強(qiáng)度，這些都是影響煤礦采煤掘進(jìn)工作以及整體礦井安全的重要問(wèn)題，也是高強(qiáng)度支護(hù)技術(shù)的技術(shù)核心。不同情況下，錨桿的受力情況分析需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)模擬，采取科學(xué)的力學(xué)計(jì)算方式，能夠最大限度保障科學(xué)選擇錨桿種類，同時(shí)也能夠通過(guò)更為合理的錨桿施工來(lái)達(dá)到高強(qiáng)度支護(hù)的目的，這些對(duì)于減少支護(hù)成本支出，提升巷道整體穩(wěn)定性均具有重要作用。

2.錨桿支護(hù)力學(xué)分析

(1)懸吊力學(xué)分析

錨桿是煤礦支護(hù)的基本構(gòu)成部分，錨桿本身不僅能夠增加軟頂層細(xì)碎松動(dòng)部分相互的摩擦力，而且還能夠在縱向形成較好的拉力作用，由此讓錨桿支護(hù)起到懸吊軟頂層的作用，從力學(xué)角度分析，懸吊理論必須要有一個(gè)穩(wěn)定圍巖面，如果沒(méi)有穩(wěn)定的圍巖面那么松軟巖層將無(wú)處懸吊。

(2)組合梁分析

組合梁理論將層狀圍巖利用錨桿進(jìn)行緊固，層狀圍巖在不加以錨桿支護(hù)的情況下，自身有一定靜摩擦力，而加入錨桿之后，由于將各層圍巖緊密地聯(lián)系在了一起，因此可以很大程度上增加巖層之間的靜摩擦力，這在很大程度上避免了層狀圍巖發(fā)生位移。另一方面，單層圍巖其剛度有限，能夠承載的力相對(duì)較小，而通過(guò)錨桿支護(hù)以后多層圍巖被緊密的固定在一起，因此其整體承載能力相對(duì)較大，在較大的應(yīng)力作用下，也不會(huì)發(fā)生較大的滑移現(xiàn)象。這一理論進(jìn)行支護(hù)是需要分析層巖在錨桿支護(hù)形成組合梁后需要承載的應(yīng)力大小，以此為基礎(chǔ)，可以了解錨桿支護(hù)的具體參數(shù)。不過(guò)由于組合梁理論單方面考慮了層巖以及錨桿在支護(hù)過(guò)程中所能起到的力學(xué)作用，沒(méi)有將二者進(jìn)行組合，因此其實(shí)際參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)之間往往有一定差異。

(3)組合拱分析

組合拱支護(hù)方案是將錨桿安裝于巷道圍巖的裂隙發(fā)育區(qū)，在這種支護(hù)方案下由于壓應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)重疊，因而圍巖整體強(qiáng)度較高。錨桿進(jìn)入后除了能夠增加宮內(nèi)巖層靜摩擦力還能夠有效形成三相受力的壓縮拱，在兩方面因素的共同作用下，錨固強(qiáng)度大幅提升，尤其是壓縮拱由于該壓縮拱內(nèi)三向受力，因此其受力結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，能夠在很大程度上提高圍巖的壓應(yīng)力承載能力。直接增加靜摩擦力，能夠有效避免巖層滑動(dòng)而形成的三相受力壓縮拱，則能夠很好的預(yù)防圍巖變形。

3.錨桿參數(shù)與預(yù)應(yīng)力分析

(1)模擬參數(shù)與錨桿安裝

利用數(shù)字重建模擬軟件，對(duì)某煤礦巷道支護(hù)情況進(jìn)行分析。該煤礦巷道高3m，巷道寬度為5.3m，屬于煤巖頂板型礦井，所選支護(hù)方案為錨桿支護(hù)，錨桿具體參數(shù)如下，錨桿長(zhǎng)度2.3m，直徑20cm，斷破載荷為300kN。通過(guò)數(shù)字模擬得到2點(diǎn)錨桿預(yù)應(yīng)力影響結(jié)果。分別為低限數(shù)值和高限數(shù)值，模擬結(jié)果顯示錨桿預(yù)應(yīng)力小于20kN以及大于100kN時(shí)，巷道整體壓應(yīng)力范圍變化較大，當(dāng)?shù)陀?0kN時(shí)，錨桿所形成的壓應(yīng)力范圍相對(duì)較小，因此難以發(fā)揮良好的支護(hù)效果，從近零應(yīng)力區(qū)范圍來(lái)看，當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力小于20kN時(shí)其近零應(yīng)力區(qū)范圍擴(kuò)大，因此安全性受到影響。而當(dāng)預(yù)應(yīng)力相對(duì)較高時(shí)，情況則恰恰相反，圍巖本身緊密連接，靜摩擦力相對(duì)較大，幾乎不留死角，整體安全性相對(duì)較高。

從錨桿長(zhǎng)度上來(lái)看，在一定限度范圍內(nèi)，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，預(yù)應(yīng)力水平也逐漸增加，但在一定范圍以外錨桿長(zhǎng)度的增加，并不能對(duì)預(yù)應(yīng)力大小起到直接影響，由此可知，在進(jìn)行錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要重點(diǎn)考慮預(yù)應(yīng)力與錨桿長(zhǎng)度之間的最優(yōu)解。從錨桿間距上來(lái)看過(guò)小的錨桿間距不僅不能起到良好的支護(hù)效果，反而會(huì)導(dǎo)致巖層破碎度增加，進(jìn)而影響支護(hù)效果，而錨桿間距過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致近零應(yīng)力區(qū)增大，這同樣不利于支護(hù)安全，以該煤礦為例，通過(guò)模擬計(jì)算可知當(dāng)錨桿間距在0.5～0.7m之間時(shí)，其煤巖破碎度明顯增加，而錨桿間距在1.4m及以上時(shí)近零應(yīng)力區(qū)相對(duì)較大，安全性下降。通過(guò)計(jì)算可知，該煤礦最佳錨桿間距為1m。以該煤礦為例，頂板錨桿安裝角度最佳角度為90°，隨著安裝角度的不斷增加，每根錨桿所形成的壓應(yīng)力區(qū)域分散，不容易從整體上提升支護(hù)安全。

(2)具體設(shè)計(jì)

從按照安全角度來(lái)看選擇材料強(qiáng)度更高的錨桿能夠更好的提升支護(hù)效果。在設(shè)計(jì)過(guò)程中要注意設(shè)置正確的錨桿預(yù)應(yīng)力，根據(jù)上文數(shù)字模擬分析結(jié)果可知，并非支護(hù)密度越大，支護(hù)效果越好，因此可以通過(guò)適當(dāng)增加預(yù)應(yīng)力數(shù)值，降低錨桿密度，保障錨桿強(qiáng)度的情況下，保障快速掘進(jìn)。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意考慮圍巖應(yīng)力據(jù)此計(jì)算錨桿預(yù)應(yīng)力數(shù)值。錨桿直徑方面需要注意實(shí)際鉆孔作業(yè)能力和巖層匹配工作，雖然錨桿直徑增加直接增加斷破強(qiáng)度，但錨固效果并不與斷破強(qiáng)度直接相關(guān)。鉆孔實(shí)際直徑大于鉆桿直徑，因此在錨桿選擇上要注意保持二者的匹配性。根據(jù)上述數(shù)字模擬結(jié)果，該煤礦最佳錨桿長(zhǎng)度為2.1m，過(guò)短則無(wú)法形成層疊的壓應(yīng)力區(qū)，而過(guò)長(zhǎng)也不能增加巖層的承載力。而從錨固方式和錨固角度兩點(diǎn)上來(lái)看，端部錨固能夠起到更好的牢固效果，而牢固角度來(lái)看，頂板錨固最好垂直安裝錨桿，最大角度不宜超過(guò)10°。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)煤礦采煤掘進(jìn)工作中高強(qiáng)支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了錨桿支護(hù)的相關(guān)技術(shù)以及技術(shù)參數(shù)，希望能夠?qū)I(yè)界同仁有一定幫助。