基于恒阻大錨索的井下綜采支護工藝優(yōu)化研究

趙惠東

（陽泉市燕龕煤炭有限責任公司， 山西 陽泉 045011）

引言

隨著煤礦井下綜采作業(yè)深度的不斷增加，巷道井下地質條件日趨復雜，在綜采作業(yè)過程中面臨著高應力、高地壓沖擊的影響，根據(jù)研究，綜采作業(yè)深度每增加100 mm，巷道在受力作用下的變形量和變形速度將增加15%。傳統(tǒng)的以錨桿為核心的支護方案雖然結構簡單、施工靈活性高、支護效率高，但其存在著支護強度偏低，經常出現(xiàn)錨桿無法適應井下圍巖大變形而導致的被拉斷現(xiàn)象，無法適應深部巷道圍巖非線性變化大的支護特性[1]。

根據(jù)巷道圍巖受力情況下的變形特質，本文在對恒阻大錨索工作原理進行分析的基礎上，提出了一種基于恒阻大錨索的井下綜采支護工藝，對支護布置結構、支護參數(shù)選擇等進行了分析，根據(jù)在煤礦井下的實際應用表明，新的支護方案能夠將巷道頂板下沉量降低52.1%以上，對確保井下巷道支護穩(wěn)定性，提高井下支護安全和效率具有十分重要的意義。

1 恒阻大錨索變形機理

恒阻大錨索是近年來出現(xiàn)的一種具有一定伸縮量的支護結構，其主要包括了恒阻器、托盤、鋼絞線等，恒阻器設置在鋼絞線的尾部，然后外側套有套管和鎖具，其整體結構如圖1 所示[2]。

圖1 恒阻大錨索結構示意圖

恒阻大錨索在工作時的恒阻力主要是來源于恒阻體在進行滑移時和套筒之間的摩擦力，在支護過程中，圍巖變形量超過恒阻器原先的支護范圍后，變形力會作用在鋼絞線上，然后鋼絞線就拉動著恒阻體沿著受力方向滑動，在滑動過程中逐漸地吸收圍巖變形的張力，從而保證在支護過程中能夠適應圍巖更大程度的變形。

在恒阻大錨索支護的過程中，受力不斷發(fā)生變化。恒阻大錨索的支護過程可分為三個階段，每個階段具有不同的支護形態(tài)和受力，恒阻大錨索的工作原理如圖 2 所示[3]。

圖2 恒阻大錨索支護原理示意圖

在支護時的第一階段，圍巖變形量較小，作用在恒阻大錨索鋼絞線上的拉力沒有超過恒阻器所設定的恒阻值，因此鋼絞線通過自身產生的拉伸變形即可適應井下巷道圍巖的變形，從而保證圍巖的穩(wěn)定性。

在支護時的第二階段，圍巖的變形量逐漸增加，作用在鋼絞線上的拉力超過了恒阻器的恒阻值，恒阻器尾部的恒阻體在拉力的作用下沿著套筒滑移，在移動的過程中恒阻體和套筒之間一直保持著恒定的摩擦力，在此階段，恒阻器主要是通過自身結構的變形來適應井下圍巖的變化，吸收圍巖變形時的能量，保持圍巖的穩(wěn)定性。

在支護時的第三階段，恒阻器的鋼絞線彈性變形及恒阻器的結構改變所產生的力和圍巖變形產生的力相平衡，作用在鋼絞線上的拉力不再增加，圍巖達到平衡狀態(tài)，實現(xiàn)了對井下巷道圍巖受力變形的可靠支護。

2 恒阻大錨索的選擇

以井下巷道綜采面為例，井下巷道的深度為667 m；綜采面的煤層平均厚度為4.8 m；直接頂為泥巖，其平均厚度為3.72 m；老頂為細沙巖，其平均厚度為3.7 m；采用了切頂卸壓沿空留巷結構。井下巷道斷面為斜矩形斷面，尺寸規(guī)格為2.8 m×4.2 m，采用了錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護結構[4]，在巷道頂板斷面內設置了6 組錨桿和3 組錨索，在巷道刷幫后又增加了2 組高強度錨桿支護，整體支護結構相對簡單。在實際綜采作業(yè)過程中由于井下巷道礦壓波動較大，因此導致圍巖變形大，錨桿受力破壞率達到了35.2%，巷道頂板的最大下沉量達到了358 mm，嚴重影響了井下巷道的綜采安全性。

為了滿足井下支護安全性的需求，選擇了一款HWL-2000 型恒阻大錨索[5]，該錨索的長度為1.5 m，直徑為21.8 m，對該錨索進行拉力—位移試驗，其拉力和位移的關系如圖3 所示。

圖3 恒阻大錨索拉力-位移變形示意圖

由圖3 可知，該恒阻錨索的平均拉伸力為352 kN，可以認為當作用在恒阻錨索上的力小于352 kN時，恒阻錨索的受力變形為彈性變形；當作用在恒阻錨索上的力大于352 kN 時，其受力變形為塑性變形。恒阻大錨索在受力時的最大變形量為405 mm，大于巷道圍巖最大358 mm 的變形量，因此滿足大深度巷道的變形支護需求。

3 恒阻大錨索變形支護方案

為了滿足井下巷道支護需求，保證巷道在切頂卸壓和來壓期間的穩(wěn)定性，采用恒阻大錨索替代傳統(tǒng)的錨索對巷道進行補強加固。錨索布置時選擇在垂直于巷道頂板的方向布置[6]，共設置3 組，第一組在距離巷道切縫為0.5 m 的位置，第二組在距離切縫約1.5 m的位置，第三組設置在副幫側，距離巷道的中心位置1.1 m 處。為了進一步提高支護的穩(wěn)定性，各個錨索采用加強鋼筋相連接，其井下支護結構如圖4 所示。

圖4 井下巷道補強支護結構示意圖（單位：mm）

采用恒阻大錨索補強支護完成后，在巷道內設置了圍巖變形量監(jiān)測裝置，對綜采作業(yè)過程中的巷道圍巖變形情況及錨索的工作阻力變化情況進行監(jiān)測，結果如圖5 所示。

圖5 恒阻大錨索支護巷道圍巖變形監(jiān)測結果

由圖5-1 可知，在綜采作業(yè)的過程中恒阻大錨索的受力值先穩(wěn)定不變，隨著巷道圍巖變形量的增加其受力值逐漸增大，最后其平均工作阻力維持到327.6kN。由于該恒阻錨索的恒阻值為30±3 t，因此可知，當恒阻大錨索的受力達到工作阻力后，能夠通過對恒阻器結構的自動調整來滿足圍巖的變形，保持支護的穩(wěn)定性。

通過對監(jiān)測點處頂板下沉量的分析，采用新的恒阻大錨索支護后，巷道頂板的平均下沉量約為171.4 mm，比優(yōu)化前的358 mm 降低了52.1%，對提升井下巷道圍巖的穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。

4 結論

1）恒阻大錨索在工作時的恒阻力主要是來源于恒阻體在進行滑移時和套筒之間的摩擦力，在滑動過程中逐漸地吸收圍巖變形的張力，從而保證在支護過程中能夠適應圍巖更大程度的變形。

2）基于恒阻大錨索的井下補強支護方案，能夠將巷道頂板下沉量降低52.1%以上，對提升煤礦井下巷道圍巖的穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。