锚杆参数对巷道支护效果影响的研究

2020-03-14靳如亮

机械管理开发 2020年1期

靳如亮

（西山煤电股份有限公司西铭矿，山西太原 030052）

引言

巷道支护作为保证综采工作面安全生产的关键工艺，其支护效果受众多因素的影响。就锚杆支护而言，我国经历了木锚杆、圆钢锚杆、普通螺纹钢锚杆的发展，其可靠性、刚度及强度均上了一个新的台阶，与其相关的支护技术也从单体锚杆阶段、组合锚杆阶段发展为当前的预应力锚杆阶段。不同阶段影响最终支护效果的因素不同[1]，其中，作为当前主流支护技术的预应力锚杆支护技术，影响其最终支护效果的核心因素为锚杆的预应力大小。本文以西铭矿48708综采工作面为载体，重点研究锚杆预应力对该工作面巷道最终支护效果的影响。

1 工程背景

48708工作面走向长度为1 817 m、倾斜长度为187.4 m、面积为 340 505.8 m2，倾角为 2°～11°，平均5°。该工作面所采8号煤层裂隙发育，结构简单，局部地段煤层下部夹0.2 m的页岩或炭质页岩，厚度变化不大，属于稳定煤层。

煤层顶板（伪顶、直接顶、老顶）：描述煤层顶板岩石性质、层理、节理、厚度、强度（硬度）、顶板分类等情况及其变化情况。煤层顶板情况如表1所示。

水文条件：该综采工作面最大涌水量25 m3/h，正常涌水量为0～5 m3/h。瓦斯绝对涌出量为2m3/min。煤尘爆炸指数为21.33%（煤尘具有爆炸性），自燃倾向性等级为Ⅱ级（易自燃）。

2 预应力锚杆的支护机理研究

随着综采工作面巷道的开挖，破坏了该工作面巷道围岩的应力平衡状态，从而造成了巷道围岩的应力集中状态。即，将原先的三向应力状态变为二向甚至单向应力状态，使得围岩的承载能力大打折扣[2]。故，需对正在生产的工作面巷道进行支护。预应力锚杆支护技术作为当前的主流支护技术，主要从以下几个方面改善巷道围岩的状态，进而提升其承载能力。

表1 煤层顶板情况

1）预应力锚杆支护技术能够为巷道围岩提供表面支护抗力，进而确保巷道围岩不会继续朝着有害变形的方向发展。此外，高预应力锚杆还能够将巷道围岩的承载能力和控制顶板位移能力上升新的台阶。

2）基于预应力锚杆支护技术能够将巷道围岩形成一个整体，使得其围岩强度得到了提升，能够承受顶板给予的径向载荷。

3）基于预应力锚杆支护技术能够避免巷道围岩强度降低，进一步从受力状态及应力场方向优化围岩力学参数。

4）采用预应力锚杆支护能够使得锚杆支护特性曲线前移。预应力锚杆能够促使围岩与锚杆融为一体，极大地提升其承载能力，避免围岩与锚杆被分别击破的现象发生[3]。

综上所述，采用预应力锚杆支护能够将巷道围岩的支护效果提升到更高的层次，使其支护能力得到显著提升。

3 预应力锚杆支护效果验证

为了从定量的角度分析预应力锚杆是如何提升综采工作面巷道的支护效果。本文对锚杆施加不同大小的预应力，并对现场的支护效果进行对比分析。

3.1 综采工作面支护方案

选取48708综采工作面其中的一个梯形巷道为研究对象，并对该断面采用锚杆支护的方案。该巷道断面及支护方案如图1所示。

图1 巷道支护方案示意图（单位：mm）

如图1所示，该巷道采用锚杆+金属网+钢筋梁的支护方案。其中，所选锚杆的直径为25 mm，长度为2 400 mm。针对顶板支护锚杆之间的间距为900 mm，锚杆排距为800 mm，每排锚杆数量为12根；针对上帮支护锚杆间距为1 100 mm，锚杆排距为800 mm，每排锚杆数量为12根；针对下帮支护锚杆间距为800 mm，锚杆排距为800 mm，每排锚杆数量为12根。

3.2 支护效果对比分析

基于上述锚杆+金属网+钢筋梁的支护方式，安装时将锚杆的预紧扭矩设定为300 N·m和600 N·m两种，对比分析不同预紧扭矩锚杆的支护效果。其中，与300 N·m预紧扭矩对应的预紧力为50 kN，与600 N·m预紧扭矩对应的预紧力为75 kN[4]。巷道的支护效果通过巷道表面位移、顶板离层结果及锚杆的受力情况三个方面体现。

3.2.1 巷道表面位移情况

通过对巷道两帮的移近量及其移近速度与顶板位移量及速度进行监测，得出如表2所示的结果。

如表2所示，随着锚杆预紧力的增加，两帮及顶板的位移量均在减少，且两帮及顶板的移动速度均降低。