錨桿支護在綜采工作面回撤通道中的應用

孫海林

（晉能控股煤業集團永定莊煤業公司機掘三隊，山西 大同 037024）

引言

煤炭資源需求量的增長推動了煤炭掘進工作的飛速發展，也對煤炭掘進工作的安全性提出了更高的要求[1]。錨桿支護作為煤炭井下穩定作業的重要保障，不僅關系著井下曠工的生命安全，還與煤炭企業的產煤量和效率息息相關，現已引起了煤炭行業的廣泛關注[2-3]。查閱相關資料可知[4-5]，國內學者對于回撤通道圍巖支護參數的理論研究較多，聯系實際方面存在明顯的不足。實際工作面錨桿支護服役環境極為惡劣、地質條件多變，相同錨桿支護方案就會產生不同的錨桿支護效果，甚至會因錨桿支護強度的不足產生安全事故，給煤炭企業帶來較大的經濟損失[6]。因此，針對某煤礦工作面回撤巷道支護參數及錨固檢測工作展開分析，并提出了優化改進方案。

1 綜采工作面概況

某煤礦工作面采煤方式為傾斜長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤法，平均的埋深尺寸為135 m，傾斜長度尺寸約為895 m，走向長度尺寸約為300 m，煤層的最大傾斜角度為3°，平均煤層的厚度為4.84 m。賦存煤層的結構較為簡單和穩定，直接頂為砂巖，厚度尺寸范圍為3.3~5.6 m，檢測得出單軸抗壓強度平均值為35.2 MPa，基本頂為中粒砂巖，厚度尺寸范圍為9.0~24.8 m，檢測得出單軸抗壓強度平均值為45.6 MPa。工作面回撤巷道橫斷面為矩形，規格尺寸為4 800 mm×3 700 mm，巷道沿煤層傾斜方向分布，沿煤層頂板掘進。工作面及巷道的具體布置如圖1所示。

圖1 工作面及巷道的具體布置圖

2 巷道原支護概況

2.1 支護方案

根據煤礦工作面實際情況，查閱原支護方案下回撤巷道的支護結構，得出煤炭回撤巷道頂板支護使用的是“錨桿（索）+網+鋼帶”支護方法。頂板錨桿使用的是右旋螺紋鋼筋，規格型號為Φ20 mm×2 200 mm，錨桿間距尺寸為1 000 mm，錨桿排距尺寸為800 mm，錨固時的錨桿有效長度為1 600 mm；鋼帶長度尺寸為4 500 mm，由直徑尺寸為Φ12 mm的圓鋼制備而成；錨索由鋼絞線制備，規格尺寸為Φ15.24 mm×8 000 mm，錨桿間距尺寸為2 400 mm，錨桿排距尺寸為2 400 mm，有效的錨桿長度尺寸為6 000 mm。

回撤巷道兩幫支護形式為“錨桿+網+鋼帶”，其錨桿間距尺寸為900 mm，錨桿排距尺寸為800 mm，工作面一側使用的是Φ20 mm×1 800 mm的玻璃鋼錨桿，煤柱一側使用的是Φ20 mm×2 000 mm的螺紋鋼制錨桿，使用的鋼帶長度尺寸為3 440 mm，由Φ20 mm的圓鋼制備而成。回撤巷道原支護斷面布置如下頁圖2所示。

圖2 原有巷道支護斷面圖（單位：mm）

2.2 存在的問題

為了更好地了解工作面回采巷道實施錨桿支護巖層的抗拉強度，對工作面頂板巖層進行取樣作為加錨基體，運用力學性能相同的鋼網模擬錨桿錨索，完成室內巴西劈裂試驗。試驗結果表明，回撤巷道頂板加錨巖層允許抗拉強度為3.52 MPa，經計算得出，原支護方案錨固梁承受的最大拉應力為3.83 MPa。由試驗檢測結果可以發現，原支護方案錨固梁承受的最大拉應力高出了錨巖層允許抗拉強度，其數值為0.31 MPa，存在明顯的錨固力不足的問題。煤炭工作面作業過程中一旦出現錨桿支護失效情況，將會產生不可估量的傷亡和經濟損失，必須引起高度重視。既然原支護方法不能有效對回撤通道圍巖進行支護，那就需要進行一定的改進，以便提高工作面回撤巷道的支護安全性和可靠性。

3 改進方案

3.1 改進方法

由工作面回撤巷道錨桿支護存在實際錨固梁承受的最大拉應力超過了加錨巖層允許的抗拉強度情況，給煤礦井下作業人員及設備產帶來安全隱患，因此，需要結合工作面實際情況及錨桿支護方法進行一定的改進設計。

實際工作面向前推進時，回撤巷道頂板主要受采動的影響，破壞范圍不斷向深處擴展，現場檢查發現，回撤巷道頂板破壞能夠影響到錨桿錨固的端部，破壞了錨桿錨固結構體，降低了錨桿支護強度。結合工作面回撤巷道實際情況及筆者的工作經驗，擬采用增加頂板錨索的方法補強，需要在巷道內部增設垛式支架。該方法能夠提高錨桿支護強度，同時能夠與鋼帶一起進行護表，避免網兜情況的出現，確保錨固梁自身的完整性。與此同時，錨索將下部軟弱巖層與深部基巖緊緊錨固在一起，能夠降低二者之間離層的出現，達到錨固范圍內部巖層整體受載，均勻變形的目的。通過在工作面回撤巷道內部增設兩排垛式支架的方法，不僅能夠提高錨桿支護的強度，還能起到抵消超前支承壓力對巷道頂板巖層的作用力。

3.2 頂板補強方案

確定了工作面回撤巷道改進方法之后開展具體支護方案的設計，基于原有巷道支護結構，確定了如下具體的頂板補強方案，如圖3所示。回撤巷道頂板位置增設4根錨索，錨索使用鋼絞絲制備，規格為Φ15.24 mm×8 000 mm，錨索間距為1 200 mm，錨索排距為1 600 mm，錨索有效錨固長度尺寸為600 mm，選擇W型鋼帶與之配合使用。在巷道內部增設兩排垛式支架，規格選擇工作阻力大小為10 000 kN的支架。除此之外，工作面回撤巷道的支護形式，如兩幫等，均與改進之前一致，未進行參數修改。

圖3 加固支護方案（單位：mm）

4 應用效果評價

為了驗證工作面回撤巷道補強支護方案的效果，將其應用于工作面回撤巷道支護現場，通過檢測回撤巷道的變形情況，確定補強支護方案的可行性。工作面回撤巷道變形檢測點布置如下頁圖4所示，選取5點進行檢測，各點之間相距60 m，工作面距離回撤巷道50 m位置運用十字布點法進行監測。為了突出表現回撤巷道補強支護下頂底板的支護效果，分別采集了該工作面回撤巷道及相鄰工作面回撤巷道的頂底板移近量進行對比分析，其中相鄰工作面回撤巷道支護采用的是原來的支護方法，二者的監測結果如圖5和圖6所示。由圖5和圖6的監測結果統計數據可以看出，改進之前工作面回撤巷道頂板最大的下沉量是750 mm，改進之后的工作面回撤巷道頂板最大下沉量僅為445 mm，比較計算可以得出，改進之后工作面回撤巷道頂板下沉量減少了305 mm，頂板下沉比例降低約40%，取得了很好的應用效果。

圖4 監測點布置

圖5 工作面回撤巷道頂板移近量

圖6 相鄰工作面回撤巷道頂板移近量

5 結論

錨桿支護作為煤炭工作面內安全工作的重要保障，其支護效果直接關系著煤炭的正常掘進工作。針對某煤炭工作面回撤巷道支護參數現狀，開展了錨固情況檢測工作。結果表明，錨桿支護巖層抗拉強度低于實際承受的拉應力，存在安全隱患。通過增設兩排垛式支架進行補強之后，大大改善了錨桿支護的效果。數據統計結果顯示，改進之后工作面回撤巷道頂板下沉量減少了305 mm，頂板下沉比例降低約40%，具有很好的應用前景。