恒阻大變形錨桿支護技術的應用研究

郭舒銘

（山西焦煤集團官地礦， 山西 太原 030024）

引言

巷道的支護質量和效果是保證煤礦安全生產的前提，目前應用于工作面常規的支護方式為錨桿支護。隨著煤層開采深度的不斷增加，工作面地質環境不斷惡化，所承受的應力不斷增加，從而導致深部煤炭開采事故的頻繁發生，主要變現為頂板來壓、瓦斯突出、頂板下沉以及兩幫收縮等[1]。經分析，導致深部煤炭開采事故發生的根本原因在于支護效果不佳。為此，針對深部煤炭采用恒阻大變形錨桿進行支護。本文著重對恒阻大變形錨桿支護的工程應用進行研究。

1 工程概況

本文所研究煤礦的生產能力為300萬t/年，工作面煤層傾角范圍為2°～6°。采用豎井分水平的開采方式，且各個工作面采用綜放一次全采高的采煤方式。本文所研究煤礦某個工作面的頂底板情況如表1所示。

經探測可知，礦井不同工作面的涌水量不同，其中最大涌水量為379 m3/h，最小涌水量為29.71 m3/h。該煤礦地應力的最大應力平均值為34.04 MPa，最大主應力的方位角為100.38°，最大主應力的傾角為20.53°；垂向平均地應力為25.04 MPa。

表1 工作面頂底板情況

2 支護現狀研究

2.1 原支護參數分析

該煤礦原先所采用的支護方式為錨桿錨索錨網的聯合支護。其中，所采用錨桿的規格尺寸為Φ20 mm×2 400 mm，錨桿類型為無縱筋螺紋鋼錨桿，并呈現矩形排列；所采用金屬網的網格規格尺寸為100 mm×100 mm，金屬網的整體尺寸為1 500 mm×1 100 mm；所采用錨索的規格尺寸為Φ17.8 mm×4 200 mm。煤礦支護的詳細參數如圖1所示。

圖1 原支護詳細參數（單位：mm）

2.2 原支護方案存在的問題

經實踐表明，在原支護參數的支護方案下，煤礦巷道發生了嚴重的變形并導致支護材料的失效，具體表現為：錨索被剪短、錨桿右幫被壓剪破壞[2]。總的來說，巷道的開裂位置主要集中于工作面的拱部，并導致拱部兩肩被擠壓、被壓斷，從而使得巷道出現大面積的變形破壞。

經對巷道工程破壞現象及特征進行總結分析，導致工作面大面積被變形破壞的主要原因為：該煤礦的地質條件復雜，其圍巖賦存的深度大，對應的地應力水平高；巖體強度較低；巖體的膨脹性較高等[3]。支護參數不合理，該煤礦屬于深部開采煤礦，基于普通錨桿、錨索的支護材料對其支護效果不佳，且支護參數的設計思路已不適用。

3 恒阻大變形錨桿支護的應用

3.1 恒阻大變形錨桿支護機理

鑒于恒阻大變形穩定性的控制理念能夠解決普通錨桿支護下的延伸率低、巷道圍巖變形大的問題，針對深部煤礦的支護采用恒阻大變形錨桿增強其支護效果和質量[4]。基于恒阻大變形錨桿支護具有如下效果：恒阻大變形錨桿適用于巷道大變形的特征；當工作面巷道發生較大的變形時，恒阻大變形錨桿可為巷道提供大于110 kN的恒定工作阻力，且在恒阻力支護工況下該型錨桿的最大變形為1 000 mm，最小變形量為300 mm；恒阻大變形錨桿具有可回收利用的優勢。

鑒于恒阻大變形錨桿的特殊性，常通過工作面巷道的恒阻力、極限變形量以及恒阻錨桿的長度進行選型。

3.2 恒阻大變形錨桿支護設計

根據該煤礦原支護參數及其支護問題進行分析，針對該煤礦深度煤炭的開采采用恒阻大變形錨桿（3 m）+金屬網+鋼帶+恒阻大變形錨索（8 m）+底角注漿錨管耦合的聯合支護方案。

1）錨桿支護設計：所選型恒阻大變形錨桿的具體型號為HMG-500，錨桿直徑為22 mm，長度為3 000 mm，每排錨桿的間距為1 000 mm，每排錨桿的間距為1 000 mm，并為錨桿固定選用特制的錨固劑進行固定。

2）錨索支護設計：所選型恒阻大變形錨索直徑為22 mm，長度為8 000 mm，每排錨索的間距為1 000 mm，每排錨索的間距為1 000 mm。

3）錨管支護設計：所選錨管為無縫鋼管，直徑為48 mm，錨管長度為3 000 mm，錨管的間距為500 mm，每排錨管的間距為500 mm。恒阻大變形錨桿的支護效果圖如圖2所示。

3.3 恒阻大變形錨桿支護效果驗證

為驗證恒阻大變形錨桿支護的效果，將上述支護方案應用于煤礦實際巷道支護中，并選取50 m長的試驗段對支護效果及質量進行監測，分別對工作面巷道兩幫的收縮量、底板的下沉量以及底鼓量進行監測，監測周期為120 d[5]。監測結果如圖3所示。

如圖3所示，隨著時間的推移工作面巷道兩幫收縮量、頂板下沉量以及底臌量不斷增加。其中，巷道兩幫收縮量在監測80 d左右處于穩定狀態，且兩幫的收縮量最終穩定在80 mm左右；頂板下沉量在監測90 d左右處于穩定狀態，且頂板的下沉量最終穩定在30 mm左右；底鼓量在監測82 d左右處于穩定狀態，且底臌量最終穩定在40 mm。

與傳統支護方案下的支護效果相對比：在原支護方案下兩幫最終的收縮量為370 mm左右；頂板下沉量最終穩定于100 mm左右；底臌量最終穩定于150 mm。

綜上所述，采用恒阻大變形錨桿支護后工作面巷道頂板、底板以及兩幫的變形量均得到有效控制，即驗證了恒阻大變形錨桿支護在深部煤炭開采工作面的支護效果優于傳統錨桿支護方案。

圖3 恒阻大變形錨桿支護監測結果

4 結論

1）針對深部煤炭開采選用恒阻大變形錨桿的型號HMG-500，并為其配置匹配的錨索、錨管等支護材料；

2）恒阻大變形錨桿支護下巷道工作面的頂板、底板以及兩幫的變形量均得到有效控制。其中，頂板變形量由100 mm控制在30 mm；底板變形量由150 mm控制在40 mm；兩幫變形量由370 mm控制在80 mm。