昌泰煤業(yè)錨桿支護改革的實踐

摘要：在對昌泰煤業(yè)原有支護狀況進行綜合評估的基礎上，采用高預應力支護理念進行支護的改革。通過詳細的地質力學測試，提出初始支護方案。在井下進行試驗后，支護效果良好，錨桿受力合理，巷道變形較小、可控，真正做到了經(jīng)濟合理。

關鍵詞：高預應力支護 地質力學測試 初始支護方案

潞安集團壽陽潞陽昌泰煤業(yè)有限公司位于晉中市壽陽縣解愁鄉(xiāng)榮家溝村-紅花堙村之間，行政區(qū)劃屬解愁鄉(xiāng)管轄。屬沁水煤田，井田面積3.7252km2，礦井規(guī)模為60萬t/a，批準開采煤層8-15下號煤層，其中12號煤層為主采煤層，12號煤層平均厚度為1.61m。

1 原有支護評估情況

資源整合之前，昌泰煤業(yè)為鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)，缺乏對先進技術的重視與探索。由于基礎數(shù)據(jù)的缺乏，礦井井巷工程的設計隨意性較大。以錨網(wǎng)支護巷道為例，支護主要存在以下問題：①支護參數(shù)偏保守，錨桿間排距大都控制在800mm×800mm以內，甚至更小。②設計一成不變，導致有的區(qū)域支護密度大，造成材料浪費和進度緩慢；有的區(qū)域壓力異常而不采取其他措施，導致頂板變形嚴重。③錨桿、錨索預應力過低，初始支護強度低，無法發(fā)揮主動支護作用，致使部分異常區(qū)域在較大支護密度下仍變形嚴重。④錨桿、錨索構件不合理，比如托板不可調心、鋼筋托梁太窄等，預應力擴散差，支護體受力狀態(tài)差。⑤錨桿、錨索支護密度不匹配，導致有的區(qū)域支護過密，有的區(qū)域又不合理。綜合以上情況，昌泰煤業(yè)原有支護缺乏一定的力學數(shù)據(jù)基礎和靈活性，大大影響了掘進速度和頂板安全，進而影響到了礦井的高產(chǎn)高效。因此，非常有必要對礦井的支護進行改革，依據(jù)各種基礎地質力學參數(shù)進行適當調整，做到在保證頂板安全的提前下，盡可能地提高掘進速度。

2 高預應力支護方法的應用

針對以上情況，通過和北京天地科技股份有限公司合作，采用高預應力支護方法進行支護，其核心為高預應力及預應力的擴散[1]。采用動態(tài)信息設計法進行支護設計，主要包括地質力學測試、初始設計、井下試驗反饋等幾個關鍵階段。下面以12101工作面作為試驗巷道進行應用，12101工作面斷面呈矩形，掘進寬4.2m，高3.1m，掘進斷面積為13m2，沿煤層底板掘進，屬于普通回采巷道，服務一個工作面。

2.1 地質力學測試 在進行支護設計前，必須進行詳細的地質力學測試，以便獲得相對準確的基礎參數(shù)，主要包括：地應力大小及方向、煤層及頂板的原位單軸抗壓強度、圍巖結構面的分布等[2]。地應力測試采用水壓致裂法平面應力測量進行，鉆孔為垂直鉆孔，即垂直主應力根據(jù)煤層埋深推算得到。根據(jù)巖體的破裂壓力和彈性力學平面問題求解得到最大主應力和最小主應力，即原巖中的最大水平主應力和最小水平主應力。圍巖強度采取原位鉆孔觸探法進行，圍巖結構采用全景式電子鉆孔窺視儀進行分析。地應力測量結果如表1所示，3個測站最大水平主應力（σH）均大于垂直應力，垂直應力（σV）均大于最小水平主應力（σh）。從量值上來劃分，昌泰煤業(yè)公司應力場量值屬于低應力值區(qū)域。在數(shù)值上為σH>σV>σh型，即最大水平主應力大于垂直應力，類型為水平應力場。

12101工作面測點的最大水平主應力方向為N7.1°E，12101工作面布置方向為N41°E，與最大水平主應力之間的銳角為33.9°，根據(jù)澳大利亞學者W.J.Gale的最大水平應力理論，頂板右側受地應力的影響，會形成應力集中，相對破壞嚴重。該處頂板0～1.7m為煤，黑色，裂隙發(fā)育；1.7～10.6m為泥質砂巖，深灰色，2.0m處較破碎，6.0～6.3m之間非常破碎，形成空洞，8.6～8.7m及9.0m處離層明顯，其他地方橫向裂隙較發(fā)育；10.6～11.7m為煤，黑色，較完整；11.7～15.2m為砂質泥巖，灰色，其中14.6～15.1m范圍內裂隙發(fā)育，巖層較破碎；15.2～20.8m為中粗砂巖，灰白—深灰色，整體完整，局部有離層。

地質力學測試所測區(qū)域內頂板10m范圍內頂板巖層強度主要集中在20～80MPa之間，12101工作面測點巖層強度2.5～9m內平均55MPa，9～10m范圍內為10 MPa；煤體強度大部分集中在6～24 MPa之間，12101工作面測點煤體強度集中在6～15 MPa之間，平均為10 MPa。

從地質力學測試結果看，昌泰煤業(yè)開拓區(qū)域屬于地應力場類型，頂板巖層強度中等，局部有離層，整體較為完整。

2.2 試驗巷道初始支護設計 經(jīng)過數(shù)值模擬多方案比較，確定12101工作面采取高強錨桿、錨索組合支護技術進行支護。

頂板支護：錨桿為335號左旋無縱筋螺紋鋼，直徑為22mm、長度為2400mm，配合相應的調心球墊、減摩墊片及拱形高強度托板，間排距為1000mm×1000mm，組合構件為D14mm鋼筋焊接的寬度為80mm的鋼筋托梁；錨索材料為D18.9mm、1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長6300mm，間排距為1500mm×2000mm；頂板鋪設10號菱形金屬網(wǎng)。

兩幫支護：內側幫采用玻璃鋼錨桿配合木托板支護，外側幫采用與頂板錨桿相同規(guī)格的錨桿及附件，用鋼筋托梁聯(lián)接；內側幫鋪設塑料網(wǎng)，外側幫鋪設10號菱形金屬網(wǎng)。

按照高預應力要求，錨桿預緊力矩需達到300N·m，錨索初次張拉到250kN。支護布置如圖1所示。

3 支護效果及礦壓監(jiān)測

試驗巷道施工后，進行了礦壓監(jiān)測，主要包括錨桿受力及巷道表面變形監(jiān)測。監(jiān)測結果如圖2、圖3所示。

（1號、2號、3號為左幫錨桿，4號、5號、6號為頂板錨桿）

由圖2可知，左幫錨桿受力較大，最大為104kN，平均為95kN；頂板錨桿雖然由于頂煤松軟等原因導致初始預緊力不大（僅為30kN左右），但錨桿受力變化幅度不大，最大僅為70kN，平均為43kN。從錨桿受力來看，錨桿受力最大為屈服強度的77.6%，既滿足了支護的需要，又充分利用了錨桿的強度，做到了經(jīng)濟合理。

由圖3可知，巷道的表面變形在距離迎頭40m范圍內增加較快，40m以后逐漸趨于穩(wěn)定；但總體變形較小，頂板下沉量在掘進影響期內為20mm，兩幫移近量為47mm。與原有支護相比，現(xiàn)在支護密度大大降低，巷道的變形也相對較小，表明該支護參數(shù)在保證頂板安全的同時，提高了掘進速度，能滿足礦井高產(chǎn)高效的需要。

4 結論

①昌泰煤業(yè)為整合礦井，基礎數(shù)據(jù)匱乏，支護設計隨意性大，有必要進行詳細的研究，使設計趨向合理高效。②采用高預應力支護理論進行錨桿支護動態(tài)信息設計，在進行地質力學測試和數(shù)值模擬多方案比較后，確定支護參數(shù)，井下進行工業(yè)試驗通過礦壓監(jiān)測反饋進行設計調整。③新支護方案試驗后，巷道支護狀況大大改觀，礦壓監(jiān)測表明，支護設計經(jīng)濟合理，能保證礦井的高產(chǎn)高效。

參考文獻：

[1]康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[2]申志平.潞寧煤礦煤巷錨桿支護技術改造[J].煤礦開采，2008，13（5）：57-59.

[3]康紅普.煤礦預應力錨桿支護技術的發(fā)展與應用[J].煤礦開采，2011（03）.

作者簡介：常宏（1970-），男，山西長治人，助理工程師，從事礦井安全技術工作。