煤矿采煤掘进中高强支护技术应用浅析

柳春

（呼伦贝尔蒙西煤业公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

现在，我国各个矿区的煤矿回采已经全面实现了机械化，回采工作面的工作设备规格也越来也大，相应的产量、开采强度在不断提升。为确保煤矿回采的正常运输以及巷道的正常通风，巷道断面在不断扩大。各地浅层煤矿资源赋存量持续减少，矿区回采巷道朝着深、大的方向不断发展。这就给巷道支护提出了更高的要求，一般情况下，针对深部、特厚煤层综采放顶煤开采，要想在确保安全性、稳定性的同时，提高生产效率以及采煤效果，要合理扩大巷道断面，而国内当前的巷道支护技术以锚喷技术为主，锚杆是支护体系中的主要承载结构。据不完全统计，国内约有60%的重点煤矿均采用锚杆支护，而锚杆支护在实际应用中也表现出了一定的问题。一是巷道支护采用的锚杆强度有待提升，多数煤矿的锚杆屈服强度仅在370MPa左右，拉断强度在550MPa左右，在同等支护强度条件下，因为锚杆的强度较低，所以需要减小锚杆的布置间距；二是锚杆本身的刚度有待进一步提升，部分研究表明，在高预紧条件下，只有少数高强度锚杆或者全长锚固锚杆能够满足高强度支护的要求。而目前多数矿区锚杆的预紧力仅控制在100N/m左右，预紧力大多在17kN左右。由此可见，煤矿巷道采用高强度支护技术已经成为行业内的主要难题，本文正立足于这一现实背景，对煤矿采煤掘进中高强支护技术的应用进行详尽论述。

1 锚杆支护理论发展以及锚杆材料的研发

1．1 锚杆支护理论

锚杆支护技术应用较为广泛，该技术也得到了学者的深入研究以及广泛探讨，时至今日，国内外已经有逾越十数中锚杆支护理论，如锚杆加固拱理论、锚杆悬吊理论、锚杆组合梁理论等，这些支护理论在实践中起到了诸多积极作用。但是，就当前的权威研究成果来看，多数有关锚杆支护的理论都较为片面，操作性较差。近几年，国内外煤矿开采均朝着深、高负载的方向发展，巷道支护要求越来越高，故行业内学者开展了大量的研究工作，锚杆支护理论的研究也有了较为突出的进展。锚杆的锚固和围岩强度、围岩滑动、围岩离层、围岩节理裂隙张开等均有较为突出的约束效果，并在保证围岩稳定性方面有着极高的重要性，这些新的认识以及研究结论对于高强度支护结构的构件有着重要的指导意义。

1．2 高强度锚杆材料

当前提高锚杆材料强度的成熟方法大概可分为两种，一种是根据巷道实际情况，开发锚杆锚固专用的钢材；二是对传统的锚杆进行强化处理。本文所论述的高强度锚杆，结合上述两种办法进行，从材料开发、选择开始就采用高强度的锚杆材料，比如，可在锚杆中增加Nb、Ti、V等等金属元素，以改变锚杆的力学性能。经过测试，合理调整锚杆原材料、Nb、Ti、V等等金属元素的配比，可制造出SMG600巷道锚固锚杆，锚杆的屈服强度在600MPa以上，抗拉强度在800MPa以上，锚杆的延展率在20%以上。

2 煤矿采煤掘进中高强支护技术的应用

基于上述的材料、锚杆理论，某矿区对该技术方法进行了试验以及推广应用。该巷道工作面的主要回采煤层为3号、4号、5号煤层，煤层平均厚度为13.55m，煤层的稳定性较强、厚度较大，倾角在4°左右，是矿区井田内主要可回采的煤层。但是，该巷道通过的岩层结构复杂，由高岭质泥岩、高岭岩、砂质泥岩、炭质泥岩等构成。巷道煤层的顶板为炭质泥岩、粉砂岩等构成，巷道底板由粉砂岩、高岭质泥岩构成。本文着重论述的巷道为工作面的回风巷，巷道掘进方向顺应3号、4号、5号煤层的方向，巷道受到周边火成岩的影响，稳定性相对较差，顶板、底板断裂的可能性突出，且巷道周边的围岩持力性低，离层的概率高，有出现范围性破坏风险的可能性。巷道断面整体为矩形，高度为33.9m，宽度为5.5m，其平均抗压强度为13MPa，垂直应力约为11MPa，水平主应力约为13MPa。

2．1 高强度支护设计

利用FLAC进行数值分析，确定支护参考数据，在确定数值过程中，对多种支护方案进行了有效对比，结果为：在锚杆长度、锚杆直径不变的情况下，若锚杆的预紧力发生变化，那么，巷道围岩应力的分布状态也会发生变化，锚杆的预紧力矩为200N/m时，锚杆的预紧力为60kN；锚杆的预紧力矩为300N/m时，锚杆的预紧力为80kN；锚杆的预紧力矩为400N/m时，锚杆的预紧力为107kN。预应力和锚索的直径不发生变化的情况下，锚杆的长度和巷道围岩的应力分布状态有直接关系。锚杆长度和预应力数值不变的情况下，锚杆直径和巷道围岩的力场分布有直接关系。预应力决定了锚杆支护体系的刚度、稳定性、安全性，FLAC分析显示，在锚杆预应力控制在20kN左右时，锚杆支护在围岩中产生的最大附加应力大约在0.25MPa左右，但是，锚杆支护形成的应力约束区域相对较小，各个区域应力的分布状态相对孤立，不能形成一个完善且稳定的整体结构，若不断提高预应力值，锚杆支护形成的应力约束区域也就越大，根据测算，在预应力控制在60kN左右时，围岩中的最大附加应力约为0.55MPa，该矿区的巷道应力可得到全面约束，形成一个高强度的支护体系，锚杆支护可发挥主动支护的作用。锚杆的长度越大，锚杆支护产生的压应力影响厚度以及范畴也越大，但是锚杆的中上部分压应力却会因此减小，并且，在外部基础条件一定的情况下，锚杆达到长度越大，预应力施加作用越不明显，锚杆支护体系的稳定性越差。

根据上述分析结果以及矿区既往的支护经验，确定巷道采用高强度锚杆+锚索组合的支护体系，锚杆的直径为22mm，型号为BHRB600，锚杆的长度为2400mm，锚杆预应力力矩控制在400N/m以上，加固采用菱形金属网、4mm钢带，顶板锚固采用的锚索直径为22mm，钢绞线材料为低松弛度预应力材料，长度为8.3m，锚杆和锚索的比例为2：3，均采用垂直支护的模式，锚索的预紧力控制在125kN左右。

2．2 支护效果

在掘进的过程中，对支护体系以及围岩进行监测，掘进过程中，两帮的偏移量最大为25mm，顶板的偏移量最大为16mm。回采过程中，受到回采过程的影响，围岩的应力分布状态发生较大的变化，存在围岩巷道轻微变形的情况，但是，基本都在支护控制范围内，巷道的状态完全能够满足通风要求以及运输要求。

3 结语

综上所述，锚杆支护是当前国内煤矿巷道掘进主要采用的支护体系，主要通过对锚杆施加预紧力产生一定的压应力区，同时锚杆和锚索协同工作，形成一个完善、稳定的承载支护体系，并对巷道周边的围岩起到强化、稳固作用。大断面煤巷锚杆支护的稳定性和锚杆的长度、布置密度、锚杆材料、锚杆的直径、预应力、预紧力有直接关系，锚杆的强度、刚度、长度越大，那么，所需要施加的预应力也就越大。广大从业者应对上述的内容也有足够的认识以及了解，若巷道周边的围岩条件较差，且支护要求较高，应选择高强度材料，根据围岩的破碎情况以及离层可能性对锚杆的各项参数进行调整，以提高支护效果，构建出一个安全且稳定的高强度锚杆支护体系。