錨固體錨桿協(xié)同支護試驗及效果評估

曹文華

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033200）

引言

煤礦安全生產(chǎn)一直以來備受煤礦企業(yè)和操作人員的關(guān)注。影響煤礦安全的主要因素包括巷道的支護效果、配套的解決工作面瓦斯、透水事故的能力等。煤礦工作面巷道的支護效果直接決定巷道圍巖的穩(wěn)定性和變形量。目前，煤礦實際生產(chǎn)中可采用復(fù)合支護、組合支護、耦合支護以及聯(lián)合支護等理論或者相關(guān)技術(shù)完成對工作面巷道的支護[1]。但是，為提升巷道支護效果常通過疊加支護方式的形式實現(xiàn)，而缺乏對錨固體錨桿協(xié)同支護的研究。本文重點對錨固體錨桿的協(xié)同支護試驗進行研究。

1 39114 工作面工程概況

本文所研究礦井的生產(chǎn)能力為240 萬t/年，其開采方式為豎井開采，包括有主井、副井和風(fēng)井。本文對該礦井39114 工作面巷道進行研究。經(jīng)探測，39114 工作面巷道的煤層、地質(zhì)條件具體描述如下：

39114 工作面巷道煤層的厚度為1.1～3 m，煤層平均厚度為2 m；煤層的傾角范圍為2°～6°，煤層平均傾角為4°。工作面的地質(zhì)條件如表1 所示：

表1 礦區(qū)39114 工作面工作面地質(zhì)條件

除上述參數(shù)，39114 工作面工作面瓦斯的絕對涌出量為0.23 m3/min；二氧化碳的絕對涌出量0.32 m3/min。總的來講，39114 工作面巷道頂板處于裂隙發(fā)育狀態(tài)，且相對松軟容易破碎；39114 工作面巷道的埋藏深度較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。

2 39114 工作面原支護方案

39114 工作面原所采用的支護方案是根據(jù)相鄰工作面的支護參數(shù)所設(shè)計的，具體如下：

1）39114 工作面頂板采用錨索進行永久支護，錨索的直徑為15.4 mm，錨索長度采用兩種規(guī)格。其中，3 200 mm 長的錨索的間距為800 mm，排距為800 mm；8 200 mm 長的錨索的間距為1 600 mm，排距為2 400 mm。

2）39114 工作面兩幫采用錨桿掛網(wǎng)進行支護，所布置的第一層錨桿距離巷道頂板的距離為2 500 mm，錨桿的排距為800 mm，間距為950 mm；最后一層錨桿距離巷道底板的距離為250 mm，對應(yīng)的錨桿的間距和排距均為800 mm。

3 39114 工作面巷道支護存在的問題

39114 工作面在去年生產(chǎn)時發(fā)生一次較為嚴重的冒頂事故，經(jīng)現(xiàn)場分析和溝通交流的基礎(chǔ)上對原支護方案及施工所存在的問題總結(jié)如下：

1）39114 工作面巷道采用錨索支護，其不能夠與圍巖的變形協(xié)同。當錨索的作用范圍超過5 m 時，在圍巖應(yīng)力的作用下導(dǎo)致其被拉斷。

2）39114 工作面巷道所采用的錨索支護，其對應(yīng)的錨固力不足。實踐表明，當張拉力超過20 MPa 出現(xiàn)錨索被拉脫的情況。總得來講，39114 工作面出現(xiàn)冒頂事故的主要原因是由于錨固力不足所導(dǎo)致。

3）39114 工作面巷道錨索分布均勻，同時由于在實際施工過程中錨固劑凝結(jié)速度過快導(dǎo)致錨索的外露長度過于長。

總得來講，導(dǎo)致39114 工作面出現(xiàn)冒頂事故的關(guān)鍵原因可總結(jié)為錨索預(yù)緊力不足、錨固力不足，對應(yīng)的巷道錨固結(jié)構(gòu)分布不合理以及在實際施工不規(guī)范所導(dǎo)致[2]。為解決上述問題，本文擬采用錨固體錨桿協(xié)同支護的方式對39114 工作面進行支護，并對支護效果進行驗證。

4 錨固體錨桿協(xié)同支護試驗及效果評估

4.1 錨固體錨桿協(xié)同支護設(shè)計原則

為保證最終錨固體錨桿的支護效果，錨固體錨桿支護方案的設(shè)計需遵循如下原則：

1）為保證錨固體與錨桿的協(xié)同作用效果，錨桿的預(yù)緊力并不是越大越好。當錨桿預(yù)緊力過大時，錨固體與錨桿的協(xié)同效應(yīng)會變差。因此，需根據(jù)地質(zhì)條件選擇最佳的錨固預(yù)緊力。

2）從理論上講，錨桿越長越能夠提升其與圍巖的協(xié)同效應(yīng)。但是，綜合現(xiàn)場施工的方便性和經(jīng)濟性需確定合理的錨固長度。

3）錨桿的鉆裝角度也是其與圍巖協(xié)同效應(yīng)的主要因素，一般將鉆裝角度確定為90°以保證最佳的協(xié)同效應(yīng)。

4）同樣，錨桿密度需綜合錨桿與圍巖的協(xié)同效應(yīng)和成本綜合確定。

4.2 錨固體錨桿支護方案的設(shè)計

綜合上述錨固體錨桿支護設(shè)計的原則和39114工作面頂板的實際條件，設(shè)計如下錨固體錨桿支護方案：

1）工作面頂板采用直徑為20 mm，長度為2 500 mm 的高強錨桿進行支護。其中，錨桿間距和排距均為800 mm。

2）工作面低幫同樣采用直徑為20 mm，長度為2 500 mm 的高強錨桿進行支護。其中，錨桿間距和排距均為800 mm；上幫錨桿與水平線的夾角為15°，下幫錨桿與水平線的夾角為45°。

3）工作面高幫同樣采用直徑為20 mm，長度為2 500 mm 的高強錨桿進行支護。其中，錨桿間距為800 mm，排距均為900 mm；上幫錨桿與水平線的夾角為15°，下幫錨桿與水平線的夾角為30°。

4）在上述基礎(chǔ)上采用直徑為18.9 mm，長度為8 200 mm 的錨索進行支護，布置方式為3-3-3,；錨索的間距為1 800 mm，排距為1 600 mm。

39114 工作面錨固體錨桿協(xié)同支護設(shè)計如圖1所示。

圖1 39114 工作面錨固體錨桿協(xié)同支護方案（單位：mm）

4.3 錨固體錨桿協(xié)同支護效果評估

為驗證錨固體錨桿協(xié)同支護對工作面巷道圍巖的控制效果和穩(wěn)定性作用，對錨固體錨桿支護方案實施80 d 后頂板及兩幫的位移量和下沉或移近速率進行測試，測試結(jié)果分別如表2、表3 所示：

表2 頂板下沉量及下沉速率

表3 兩幫移近量及移近速率

如表2、表3 所示，39114 工作面采用錨固體錨桿支護方案后，頂板及兩幫的移近量隨著距離的增加而減少；而且，頂板的下沉速率和兩幫的移近速率接近為0，即在錨固體錨桿協(xié)同支護下對工作面圍巖控制效果最好。

5 結(jié)語

一直以來，煤礦綜采工作面巷道的支護效果是保證工作面安全生產(chǎn)的直接因素。不同地質(zhì)條件、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的工作面需綜合成本、實施及圍巖控制效果確定[3-5]。鑒于39114 工作面生產(chǎn)中出現(xiàn)嚴重冒頂?shù)氖鹿?，本文對原支護方案下的問題進行分析，并結(jié)合錨固體錨桿支護原則對支護方案進行優(yōu)化。39114 工作面采用錨固體錨桿協(xié)同支護方案80 d后，工作面頂板和兩幫的圍巖的下沉量和移近量減小，且得到有效控制，保證了工作面的安全生產(chǎn)。