機巷金屬錨架支護技術及效果評價

任兆鑫

（山西鄉寧焦煤集團毛則渠煤炭有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

近幾年，隨著對煤炭資源的需求量越來越大，開采強度不斷加大，我國淺部煤炭資源日趨減少。目前，我國已經逐步進入開采深部煤炭資源的時代。針對深部煤炭資源的開采，受到高地應力、高低溫、高滲壓和強烈開采擾動的影響，對巷道支護提出了新的挑戰。巷道的支護已經從預留寬煤柱的沿空掘巷支護發展到后來的預留窄煤柱的沿空掘巷支護，上述兩種支護方式不僅會造成煤炭資源的浪費，而且對應的支護成本較高[1]。因此，開展關于完全沿空掘巷的支護研究，保證深部煤炭資源的開采效率和安全性具有重要意義。本文重點對機巷金屬錨架的支護技術進行研究，并對最終的支護效果進行評價。

1 8001 工作面工程概況

本文以某礦8001 綜采工作面煤層的開采為例，該工作面煤層的巖石特性相對復雜，且工作面頂板的巖層、煤層較軟，極易導致頂板裂隙出現斷裂的情況。8001 工作面煤層設計初期的生產能力為45 萬t/年，且可供開采的煤層數量較多，本文以其中的3 號煤層的開采為例開展研究。經探測，3 號煤層的平均厚度為2.87 m，煤層最厚為4.87 m、最薄為0.8 m。3 號煤層頂底板條件如表1 所示。

表1 3 號煤層頂底板條件

此外，經探測8001 綜采工作面地下水包括有砂巖孔隙水、松散含水層孔隙水以及其他類型的水。經統計，該工作面的最大涌水量可達26 m3/h，最小涌水量為4.3 m3/h。

2 8001 工作面支護技術研究

本節在對8001 工作面變形機理研究的基礎上，針對性地提出支護措施，尤其是對金屬錨架的支護參數進行設計。

2.1 工作面變形機理研究

從整體上講，8001 工作面距離地面的距離約為600 m；整個區域的地質條件相當復雜，導致8001 工作面變形相對嚴重。

8001 工作面煤層及巖層處于相對松散的狀態對應的強度也較低，導致整個工作面的側向次數較大，則工作面在水平方向的作用力也較大，從而導致了工作面左右兩幫巷道受力呈現不均勻狀態[2]。因此，針對8001 工作面除了對頂板進行有效加固支護外，還需對巷道左右兩幫采取有效的支護措施解決左右兩幫受力不均勻而導致變形較大的問題。

2.2 工作面的支護設計

2.2.1 支護方式

目前，絕大多數工作面主要采用錨桿與錨索聯合支護方式進行加固，該種支護方式具有施工難度大且最終支護效果無法保證的缺陷。而單純的采用金屬棚架的支護方式，若棚架的間距設計較小時對應的支護成本高、施工量大；若棚架的間距設計較大時無法保證最終的支護效果。因此，綜合上述兩種支護方式的優勢，本工程將采用金屬錨架支護方式對巷道進行加固。所謂金屬錨架支護，其主要包括U 型棚架和錨桿；輔助設施包括有高強度鋼筋笆、防漏膜和傳載短梁[3]。

從理論上將，采用金屬錨架支護方式可達到主動與被動支護相結合，通過讓壓和強支兩項措施實現對巷道的高效支護。

2.2.2 支護參數

結合8001 工作面的地質條件，本節完成金屬錨架支護的參數設計，包括有主要設施和輔助設施的參數設計。

U 型金屬棚架：采用36U 的規格，金屬棚架的排間距為700 mm，金屬棚架頂棚與棚腿的搭接長度為600 mm。

錨桿：錨桿直徑為22 mm、長度為2 500 mm，錨桿類型為左旋無縱筋螺紋鋼高強度預應力錨桿，錨桿間距為700 mm，錨桿排距為1 000 mm。

錨索：錨索直徑為17.8 mm、長度為6 000 mm，錨索排間距為1 400 mm，每排布置一根錨索，對應錨索的預應力為100 kN。

高強度鋼筋笆：鋼筋網眼的規格為100 mm×100 mm，整體規格為1 200 mm×9 00 mm，采用12 號鐵絲進行固定。

防漏膜：防漏膜主要鋪設在高強度鋼筋笆后，規格為4 000 mm×900 mm，主要是防止碎煤的泄漏，減小頂板發生冒頂事故的風險；同時，防漏膜還能避免煤層發生自燃[4]。

補強錨桿：補強錨桿按照圖1 所示進行強化支護。

圖1 補強錨桿實施效果圖（單位：mm）

3 支護效果分析

將上述支護方案應用于8001 工作面的巷道中，為驗證金屬錨架的支護效果，對支護完成后的巷道的變形情況進行監測；通過對巷道變形的監測評估金屬錨架對巷道圍巖的控制效果。

3.1 監測方案

在8001 工作面巷道內，隨機抽取一個斷面進行監測，而后依次間隔10 m 選擇其他5 個斷面進行監測，并重點對每個斷面內兩幫的變形速度和最終的變形量進行觀測。本次監測所采用儀器為JSS30A 型數顯收斂儀，該測試儀的測量精度精確值為0.06 mm，能滿足對巷道變形量的監測要求。

3.2 監測數據分析

經對監測數據進行整理，如表2 所示。

表2 巷道支護后不同斷面內平均變形速度

如表2 所示，對巷道采取金屬錨架支護后，五個斷面巷道兩幫的變形速度隨著時間的推移不斷減小。而且，通過現場監測巷道兩幫的最大變形量僅50 mm，遠小于采用傳統錨桿與錨索聯合支護的415 mm。

同時，在實際施工過程中發現，采用金屬錨架支護技術能夠到達縮減施工時間，極大地提升了對巷道的支護效率，以及對巷道圍巖控制的穩定性。

4 結論

1）采用金屬錨架的支護方式可極大地縮短支護施工時間，提升了巷道的支護效率；

2）采用金屬錨架的支護方式可提高對巷道圍巖控制的穩定性，其變形速度隨著時間的推移逐漸減小，最終變形量僅為50 mm。