煤礦采煤掘進(jìn)中高強支護技術(shù)應(yīng)用淺析

柳春

（呼倫貝爾蒙西煤業(yè)公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

現(xiàn)在，我國各個礦區(qū)的煤礦回采已經(jīng)全面實現(xiàn)了機械化，回采工作面的工作設(shè)備規(guī)格也越來也大，相應(yīng)的產(chǎn)量、開采強度在不斷提升。為確保煤礦回采的正常運輸以及巷道的正常通風(fēng)，巷道斷面在不斷擴大。各地淺層煤礦資源賦存量持續(xù)減少，礦區(qū)回采巷道朝著深、大的方向不斷發(fā)展。這就給巷道支護提出了更高的要求，一般情況下，針對深部、特厚煤層綜采放頂煤開采，要想在確保安全性、穩(wěn)定性的同時，提高生產(chǎn)效率以及采煤效果，要合理擴大巷道斷面，而國內(nèi)當(dāng)前的巷道支護技術(shù)以錨噴技術(shù)為主，錨桿是支護體系中的主要承載結(jié)構(gòu)。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)約有60%的重點煤礦均采用錨桿支護，而錨桿支護在實際應(yīng)用中也表現(xiàn)出了一定的問題。一是巷道支護采用的錨桿強度有待提升，多數(shù)煤礦的錨桿屈服強度僅在370MPa左右，拉斷強度在550MPa左右，在同等支護強度條件下，因為錨桿的強度較低，所以需要減小錨桿的布置間距；二是錨桿本身的剛度有待進(jìn)一步提升，部分研究表明，在高預(yù)緊條件下，只有少數(shù)高強度錨桿或者全長錨固錨桿能夠滿足高強度支護的要求。而目前多數(shù)礦區(qū)錨桿的預(yù)緊力僅控制在100N/m左右，預(yù)緊力大多在17kN左右。由此可見，煤礦巷道采用高強度支護技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的主要難題，本文正立足于這一現(xiàn)實背景，對煤礦采煤掘進(jìn)中高強支護技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行詳盡論述。

1 錨桿支護理論發(fā)展以及錨桿材料的研發(fā)

1．1 錨桿支護理論

錨桿支護技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，該技術(shù)也得到了學(xué)者的深入研究以及廣泛探討，時至今日，國內(nèi)外已經(jīng)有逾越十?dāng)?shù)中錨桿支護理論，如錨桿加固拱理論、錨桿懸吊理論、錨桿組合梁理論等，這些支護理論在實踐中起到了諸多積極作用。但是，就當(dāng)前的權(quán)威研究成果來看，多數(shù)有關(guān)錨桿支護的理論都較為片面，操作性較差。近幾年，國內(nèi)外煤礦開采均朝著深、高負(fù)載的方向發(fā)展，巷道支護要求越來越高，故行業(yè)內(nèi)學(xué)者開展了大量的研究工作，錨桿支護理論的研究也有了較為突出的進(jìn)展。錨桿的錨固和圍巖強度、圍巖滑動、圍巖離層、圍巖節(jié)理裂隙張開等均有較為突出的約束效果，并在保證圍巖穩(wěn)定性方面有著極高的重要性，這些新的認(rèn)識以及研究結(jié)論對于高強度支護結(jié)構(gòu)的構(gòu)件有著重要的指導(dǎo)意義。

1．2 高強度錨桿材料

當(dāng)前提高錨桿材料強度的成熟方法大概可分為兩種，一種是根據(jù)巷道實際情況，開發(fā)錨桿錨固專用的鋼材；二是對傳統(tǒng)的錨桿進(jìn)行強化處理。本文所論述的高強度錨桿，結(jié)合上述兩種辦法進(jìn)行，從材料開發(fā)、選擇開始就采用高強度的錨桿材料，比如，可在錨桿中增加Nb、Ti、V等等金屬元素，以改變錨桿的力學(xué)性能。經(jīng)過測試，合理調(diào)整錨桿原材料、Nb、Ti、V等等金屬元素的配比，可制造出SMG600巷道錨固錨桿，錨桿的屈服強度在600MPa以上，抗拉強度在800MPa以上，錨桿的延展率在20%以上。

2 煤礦采煤掘進(jìn)中高強支護技術(shù)的應(yīng)用

基于上述的材料、錨桿理論，某礦區(qū)對該技術(shù)方法進(jìn)行了試驗以及推廣應(yīng)用。該巷道工作面的主要回采煤層為3號、4號、5號煤層，煤層平均厚度為13.55m，煤層的穩(wěn)定性較強、厚度較大，傾角在4°左右，是礦區(qū)井田內(nèi)主要可回采的煤層。但是，該巷道通過的巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由高嶺質(zhì)泥巖、高嶺巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等構(gòu)成。巷道煤層的頂板為炭質(zhì)泥巖、粉砂巖等構(gòu)成，巷道底板由粉砂巖、高嶺質(zhì)泥巖構(gòu)成。本文著重論述的巷道為工作面的回風(fēng)巷，巷道掘進(jìn)方向順應(yīng)3號、4號、5號煤層的方向，巷道受到周邊火成巖的影響，穩(wěn)定性相對較差，頂板、底板斷裂的可能性突出，且巷道周邊的圍巖持力性低，離層的概率高，有出現(xiàn)范圍性破壞風(fēng)險的可能性。巷道斷面整體為矩形，高度為33.9m，寬度為5.5m，其平均抗壓強度為13MPa，垂直應(yīng)力約為11MPa，水平主應(yīng)力約為13MPa。

2．1 高強度支護設(shè)計

利用FLAC進(jìn)行數(shù)值分析，確定支護參考數(shù)據(jù)，在確定數(shù)值過程中，對多種支護方案進(jìn)行了有效對比，結(jié)果為：在錨桿長度、錨桿直徑不變的情況下，若錨桿的預(yù)緊力發(fā)生變化，那么，巷道圍巖應(yīng)力的分布狀態(tài)也會發(fā)生變化，錨桿的預(yù)緊力矩為200N/m時，錨桿的預(yù)緊力為60kN；錨桿的預(yù)緊力矩為300N/m時，錨桿的預(yù)緊力為80kN；錨桿的預(yù)緊力矩為400N/m時，錨桿的預(yù)緊力為107kN。預(yù)應(yīng)力和錨索的直徑不發(fā)生變化的情況下，錨桿的長度和巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)有直接關(guān)系。錨桿長度和預(yù)應(yīng)力數(shù)值不變的情況下，錨桿直徑和巷道圍巖的力場分布有直接關(guān)系。預(yù)應(yīng)力決定了錨桿支護體系的剛度、穩(wěn)定性、安全性，F(xiàn)LAC分析顯示，在錨桿預(yù)應(yīng)力控制在20kN左右時，錨桿支護在圍巖中產(chǎn)生的最大附加應(yīng)力大約在0.25MPa左右，但是，錨桿支護形成的應(yīng)力約束區(qū)域相對較小，各個區(qū)域應(yīng)力的分布狀態(tài)相對孤立，不能形成一個完善且穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)，若不斷提高預(yù)應(yīng)力值，錨桿支護形成的應(yīng)力約束區(qū)域也就越大，根據(jù)測算，在預(yù)應(yīng)力控制在60kN左右時，圍巖中的最大附加應(yīng)力約為0.55MPa，該礦區(qū)的巷道應(yīng)力可得到全面約束，形成一個高強度的支護體系，錨桿支護可發(fā)揮主動支護的作用。錨桿的長度越大，錨桿支護產(chǎn)生的壓應(yīng)力影響厚度以及范疇也越大，但是錨桿的中上部分壓應(yīng)力卻會因此減小，并且，在外部基礎(chǔ)條件一定的情況下，錨桿達(dá)到長度越大，預(yù)應(yīng)力施加作用越不明顯，錨桿支護體系的穩(wěn)定性越差。

根據(jù)上述分析結(jié)果以及礦區(qū)既往的支護經(jīng)驗，確定巷道采用高強度錨桿+錨索組合的支護體系，錨桿的直徑為22mm，型號為BHRB600，錨桿的長度為2400mm，錨桿預(yù)應(yīng)力力矩控制在400N/m以上，加固采用菱形金屬網(wǎng)、4mm鋼帶，頂板錨固采用的錨索直徑為22mm，鋼絞線材料為低松弛度預(yù)應(yīng)力材料，長度為8.3m，錨桿和錨索的比例為2：3，均采用垂直支護的模式，錨索的預(yù)緊力控制在125kN左右。

2．2 支護效果

在掘進(jìn)的過程中，對支護體系以及圍巖進(jìn)行監(jiān)測，掘進(jìn)過程中，兩幫的偏移量最大為25mm，頂板的偏移量最大為16mm?；夭蛇^程中，受到回采過程的影響，圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生較大的變化，存在圍巖巷道輕微變形的情況，但是，基本都在支護控制范圍內(nèi)，巷道的狀態(tài)完全能夠滿足通風(fēng)要求以及運輸要求。

3 結(jié)語

綜上所述，錨桿支護是當(dāng)前國內(nèi)煤礦巷道掘進(jìn)主要采用的支護體系，主要通過對錨桿施加預(yù)緊力產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力區(qū)，同時錨桿和錨索協(xié)同工作，形成一個完善、穩(wěn)定的承載支護體系，并對巷道周邊的圍巖起到強化、穩(wěn)固作用。大斷面煤巷錨桿支護的穩(wěn)定性和錨桿的長度、布置密度、錨桿材料、錨桿的直徑、預(yù)應(yīng)力、預(yù)緊力有直接關(guān)系，錨桿的強度、剛度、長度越大，那么，所需要施加的預(yù)應(yīng)力也就越大。廣大從業(yè)者應(yīng)對上述的內(nèi)容也有足夠的認(rèn)識以及了解，若巷道周邊的圍巖條件較差，且支護要求較高，應(yīng)選擇高強度材料，根據(jù)圍巖的破碎情況以及離層可能性對錨桿的各項參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以提高支護效果，構(gòu)建出一個安全且穩(wěn)定的高強度錨桿支護體系。