提升礦井巷道掘進速度的錨桿支護技術

張建廷

（晉能控股集團有限公司同家梁礦， 山西 大同 037003）

引言

隨著煤炭資源開采規模逐年增加，煤炭開采難度越來越大，對井下巷道的支護要求越來越高，在確保安全的情況下提升采礦效率，有助于煤炭企業提質增收。高應力巷道由于初期形變不易控制，在圍巖第一時間進行支護效果不明顯，故許多企業對錨桿讓壓支護方式進行研究[1]。

1 山西某礦支護現狀分析

1.1 地質概況

山西某礦8 號煤層2307 巷道的截面呈矩形，巷道長1 500 m、寬4.2 m、高2.7 m。巷道圍巖為炭質泥巖、砂泥巖，結構完整性差，巖體較為松散[2]。

1.2 巷道支護現狀

頂板支護與巷幫支護，均選用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，垂直頂板進行安裝布放，錨桿鋼材型號為BHRB500，尺寸為Φ22 mm×2 400 mm。單排錨桿設定數量為6 根，錨桿間排距900 mm、1 000 mm，鉆孔直徑30 mm，采用加長錨固的方式進行錨桿固定，樹脂錨固劑選用MSK2335 型號。錨桿托盤采用拱形高強度托盤，預緊扭矩為400 N·m。巷道支護現狀示意圖，如圖1 所示。

圖1 巷道支護現狀示意圖（單位：mm）

1.3 存在的問題

1）巷道的掘進速度受錨桿布放密度影響較大；

2）錨桿安裝角度未經過計算推導，均采用垂直頂板角度安裝；

3）巷道單點應力增加無法進行讓壓，有可能造成支護體毀壞。

2 支護方案研究與質量監測

2.1 支護方案研究

2.1.1 錨桿材質

在巷道錨桿材質的選擇中，以高強度的螺紋鋼為主，根據旋螺紋方向的不同，可分為無縱筋左旋螺紋鋼和無縱筋右旋螺紋鋼兩種。因左旋錨桿的桿體與樹脂結合更加密切，錨固效果更好，具有錨固力大、延伸率強、穩定性強的優勢，故錨桿材質選定為無縱筋左旋螺紋鋼。

2.1.2 錨桿長度

錨桿長度也是錨桿選材的重要參數，錨桿長度表示為l1，可通過式（1）進行計算：

式中：k1為圍巖影響系數，一般取0.9～1.2；b1為巷道寬度，m。

參照甘莊煤礦的巷道地質情況，b1取值4.2 m，k1取值選定為1～1.1，將數據代入式（1）可得，錨桿長度最佳取值為1.9～2.1 m。結合廠家生產標準，選定錨桿長度為2.1 m。

2.1.3 錨桿直徑

為確保錨桿提供足夠支護助力，防止頂板形變過大，通常選取的錨桿直徑要比鉆孔直徑小6～8 mm，部分情況差值可放寬至4～10 mm。這樣的錨桿與孔徑搭配最為合理。孔徑取值一般為26～30 mm，兼顧生產成本與施工便利性，錨桿直徑選定為22 mm。

2.1.4 錨桿間距

巷道錨桿支護通常等距放置，錨桿間距d1的長度主要和錨桿長度l1有關，通常取值參照式（2）：

由式（2）可得，錨桿的間距為d1≤1.05 m。在確保支護質量的情況下，合理設置錨桿間距可提升掘進速度、降低生產成本，最終選定的錨桿間距為1～1.05 m。

2.1.5 錨索材質與直徑

鋼絞線由于其松弛度較低、強度與韌度高，運輸安裝便利，常被用作巷道支護懸吊材料。綜合考慮巷道圍巖土質、生產成本，選定錨索直徑為22 mm。

2.1.6 錨索長度

錨索通常錨固在圍巖深部堅硬巖層中，發揮深部圍巖的承載作用。錨索長度l2通過式（3）得到：

式中：l21為錨索的錨固長度，m；l22為潛在的不穩定巖層高度，m；l23為錨索外露長度，m。

通過資料收集得到，錨固長度l21取值2.56 m，甘莊煤礦8 號煤層2307 工作面不穩定巖層高度l22取值4.6 m，錨索外露長度l23取值0.3 m。將數據代入式（3）得到錨索長度為7.46 m。結合巷道現有錨索長度，最終選定錨索長度為7.5 m[3]。

2.1.7 錨桿（索）錨固方式及安裝角度

甘莊煤礦巷道內頂板錨桿的錨固采用加長錨固和全長錨固，幫部錨桿采用加長錨固。錨桿安裝角度以垂直安裝為主，其中，頂板錨固靠近巷幫的2 根錨桿和巷幫靠近頂板的2 根錨桿，均設定傾斜角10°。錨索的安裝角度則全部垂直頂板安裝。錨桿與錨索的使用均為樹脂錨固劑，主用有K2335 和Z2360型號[4]。

2.2 支護質量監測

2.2.1 巷道表面位移監測

巷道內的監測點位共設置了三個，每個監測斷面示意圖如圖2 所示，選取了巷道的頂板、底板與兩幫中心作為測量基準點。數據測量周期為2 d/次，數據測量總次數25 次，共計用時50 d。

圖2 巷道表面位移監測示意圖

圖3 為頂底板位移量折線圖，圖4 為兩幫位移量折線圖，綜合分析可知：三個檢測面的檢測結果均在0～25 d 內出現形變較大，25～50 d 以后形變量趨于穩定的趨勢。其中1～3 號的檢測斷面頂底板位移量最大值分別為140 mm、112 mm、108 mm，兩幫位移量最大值為170 mm、145 mm、129 mm，各檢測面的頂底板位移量、兩幫位移量均在達到最大之后穩定，說明巷道支護未產生有害形變，支護方案效果良好。

圖3 頂底板位移量折線圖

圖4 兩幫位移量折線圖

2.2.2 錨桿支護質量監測

錨桿支護質量的監測主要通過分析錨桿自由端與錨固段占比情況得出。本文選取了甘莊煤礦頂板中部與巷道幫中部各10 根錨桿作為監測對象，得到表1、下頁表2 所示監測結果。

表1 中，巷道頂板的錨桿監測結果顯示，10 根支護效果均為優良；表2 中，巷道幫中部的錨桿監測結果顯示，1 根錨桿支護效果差，其余均為優良。綜合分析可知，錨桿支護質量達到了生產要求，支護質量良好。

表1 頂板錨桿監測結果

表2 幫中部錨桿監測結果

2.2.3 錨索支護質量監測

對錨索支護質量監測主要通過觀察錨索受力最大值與最小值得出。通過對巷道內隨機挑選10 根錨索為研究對象，每2 d 測量1 次，共測量10 次，得到錨索受力最大值為346.52 kN，受力最小值為241.60 kN。結果證明，錨索錨固支護效果良好[5]。

3 應用效果

原有巷道掘進速度約275 m/月，通過支護方案優化后，現場監測結果表明，頂底板移近量最大為140 mm，兩幫移近量最大為170 mm，巷道掘進速度達到320 m/月，掘進速度提升約17%。

4 結論

錨桿讓壓支護技術在甘莊煤礦8 號煤層2307 巷的有效應用，為錨桿支護的重點參數計算提供了理論依據，通過錨桿、錨索的合理布放，達到提升掘進速度的目的。主要結論如下：

1）基于高應力煤巷讓壓支護原理，結合經驗公式、生產需要、現場實際綜合分析，優化了錨桿支護參數和支護方式，給出了巷道支護方案；

2）經過測量點選擇與實地取值獲取現場數據，并經過數據分析得到了井下巷道掘進過程中錨桿、錨索受力參數，對今后的舊巷道維護、新巷道建設提供寶貴依據；

3）掘進速度由每月275 m 提升至320 m，助力企業日常生產與提質增收。