大跨度切眼錨桿錨索支護技術(shù)的研究與應(yīng)用

秦曉偉

（山西高河能源有限公司， 山西 長治 047100）

引言

巷道錨桿支護技術(shù)在不斷進步，為安全的巷道提供了保障作用[1]。與被動支架支護技術(shù)相比，錨桿通過加固圍巖的穩(wěn)定性，不僅改善了礦工的操作難度，提高了施工效率，更大程度地改善了礦井巷道的安全穩(wěn)定性。但針對目前煤礦大煤層出現(xiàn)的大跨度切眼的支護難題，傳統(tǒng)的錨桿支護已不能夠更好地維護巷道的安全穩(wěn)定性，使得切眼工程無法進行，并且在礦工實施過程中仍伴隨著煤層脫落，安全隱患比較多。如何能夠在傳統(tǒng)錨桿支護的技術(shù)基礎(chǔ)的支持下，優(yōu)化改進錨桿錨索支護技術(shù)是目前亟待實現(xiàn)大跨度切眼的一項重要工作。

1 工程概況

高河能源公司某煤礦東側(cè)傾角為30°，且煤質(zhì)較硬；西側(cè)傾角為33°～56°，煤質(zhì)較軟。綜合分析，切眼位置定于礦井的西側(cè)，切眼布置于大煤層中，該煤層頂板的切眼圍巖巖性分布情況如表1 所示。同時，切眼為矩形形狀，高寬分別為3 m 和8 m。

表1 某煤礦煤層頂板情況

2 錨桿錨索支護參數(shù)的優(yōu)化

2.1 頂錨桿支護參數(shù)的優(yōu)化

分別利用三種傳統(tǒng)的設(shè)計方法對頂錨桿支護參數(shù)進行計算，這三種方法分別是基于等效圓法、基于普氏冒落拱法以及等效橢圓法。

1）等效圓法。當(dāng)開始切眼時，升高了圍巖局部區(qū)域地壓力，打破了原有巖石周圍的應(yīng)力平衡。將原本切眼的矩形形狀等效為圓形，經(jīng)理論計算所得：頂錨桿材質(zhì)選用錨桿直徑為22 mm，錨桿長度為6.5 m，錨桿間距為381 mm，錨桿排距為800 mm，錨固長度為400 mm。

2）普氏冒落拱法。當(dāng)開始切眼時，若應(yīng)力超過原有的圍巖應(yīng)力分布，頂部的部分巖石因此掉落直至平衡，所以需對此部分進行支護考慮，該操作界面為拱形，經(jīng)理論計算所得：頂錨桿材質(zhì)選用錨桿直徑為22 mm，錨桿長度為5.2 m，錨桿間距為500 mm；錨桿排距為800 mm；錨固長度為400 mm。

3）等效橢圓法。大跨度切眼問題中跨度一般高于8 m，因此對于前兩種理論計算來說，理論值明顯與實際值不相符。等效橢圓法則是將矩形切眼以外的部分也歸納進入為切眼所造成的松散區(qū)域，更加符合大煤層的大跨度切眼問題。該操作界面為外接橢圓形，理論計算所得：頂錨桿材質(zhì)選用錨桿直徑為22 mm，錨桿長度為2.9 m，錨桿間距為800 mm，錨桿排距為800 mm，錨固長度為400 mm。

綜合以上三種計算方法，再結(jié)合目前切眼高度為3 m，等效圓法和普氏冒落拱法所計算的錨桿長度分別為6.5 m 和5.2 m，此數(shù)值均大于切眼的實際高度。同時，這兩種方法計算的錨桿間距過小，不適用于實際的掘進操作。針對以上分析，最終計算方法選擇等效橢圓法，頂錨桿支護參數(shù)優(yōu)化為：選用螺紋鋼錨桿，其直徑為22 mm，錨桿長度為2.9 m，錨桿間距為800 mm，錨桿排距為800 mm，錨固長度為400 mm。

2.2 幫錨桿以及錨索支護參數(shù)的優(yōu)化

經(jīng)理論計算所得，幫錨桿的支護參數(shù)優(yōu)化為：選用玻璃鋼錨桿其直徑為18 mm，錨桿長度為2.2 m，錨桿間距為1 000 mm；錨桿排距為800 mm；錨固長度為200 mm。

錨索在預(yù)應(yīng)力中主動承擔(dān)著高抗錨索的高抗滑力來維持巖石的穩(wěn)定性，進而維護巷道的安全性。支護參數(shù)優(yōu)化：選用直徑為15.24 mm 的鋼絞線，每三排錨桿支護中間加5 根錨索，每根錨索的間距為1.3m，長度6 m，排距2.4 m[2-3]。

3 錨桿錨索支護效果的監(jiān)測

監(jiān)測內(nèi)容主要包括：通過監(jiān)測大煤層跨度切眼的錨桿受力狀態(tài)、頂板下沉狀態(tài)以及頂部與底部之間的離層狀態(tài)，判斷按理論計算出的支護參數(shù)應(yīng)用于實際狀態(tài)的支護效果，同時，通過監(jiān)測結(jié)果的計算分析，利用可視化數(shù)據(jù)，直觀地表征出圍巖的受力變化規(guī)律，及時調(diào)整支護狀態(tài)，確保整個施工過程的安全性[4-5]。

在監(jiān)測期間，煤層下沉的位移共計114 mm，其中最快的沉降速度為23 mm/d, 平均數(shù)據(jù)為7.1 mm/d；頂部與底部的離層位移最終確定為52.5 mm。通過將數(shù)據(jù)記錄、收集、計算與處理分析得出，該頂板下沉以及頂部與底部的離層位移變化趨勢主要分為三階段，第一階段：初始施工2 d 之內(nèi)，不穩(wěn)定因素較多、變化較快，大概占比46%；第二階段：施工2～5 d 內(nèi)，位移變化速度減慢，占比36%；第三階段：施工5 d 之后，位移變化速度趨于穩(wěn)定，占比18%，而后趨于穩(wěn)定。此外，錨桿所受力大概在39 kN。

經(jīng)監(jiān)測，頂板下沉以及頂部與底部的離層位移變化已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，錨桿受力也處于理論范圍內(nèi)。綜上，該錨桿錨索支護參數(shù)優(yōu)化，針對大煤層大跨度切眼已起到實際的加固強化的效果。

4 結(jié)論

本文以高河能源有限公司某煤礦為應(yīng)用工程項目，該煤礦屬于大煤層大跨度切眼支護技術(shù)的研究對象。將切眼布置為矩形，即高3 m，寬8 m。通過對比等效圓法、普氏冒落拱法和等效橢圓法，等效橢圓法更加符合切眼的實際高度。同時，前方法計算的錨桿間距過小，不適用于實際掘井操作。針對以上分析，最終計算方法選擇等效橢圓法，頂錨桿支護參數(shù)優(yōu)化為：選用螺紋鋼錨桿其直徑為22 mm，錨桿長度為2.9 m，錨桿間距為800 mm；錨桿排距為800 mm；錨固長度為400 mm。幫錨桿的支護參數(shù)優(yōu)化為：選用玻璃鋼錨桿其直徑為18 mm，錨桿長度為2.2 m，錨桿間距為1 000 mm；錨桿排距為800 mm；錨固長度為200 mm。錨索的支護參數(shù)優(yōu)化：選用直徑為15.24 mm 的鋼絞線，每三排錨桿支護中間加5 根錨索，每根錨索的間距為1 300 mm，長度6m，排距2 400 mm。最后，為了理論聯(lián)系實際，本文將最終選定的優(yōu)化參數(shù)應(yīng)用于煤礦的實際施工過程中。通過監(jiān)測大煤層跨度切眼的錨桿受力狀態(tài)、頂板下沉狀態(tài)以及頂部與底部之間的離層狀態(tài)，得出該支護設(shè)計優(yōu)化方案起到加固巷道的效果，符合礦工安全生產(chǎn)施工的標(biāo)準。在本次大跨度切眼錨桿錨索支護技術(shù)探究案例中，該研究方法以及研究方案對今后相似類型施工工程有一定的指導(dǎo)意義。