煤矿锚杆（索）支护参数设计及效果监测

杜旭文

（霍州煤电集团金能煤业有限公司， 山西 忻州 035100）

引言

随着煤矿采煤工艺、采煤技术及综采设备自动化水平的不断提升，工作面的采煤效率提升效果显著，进而对煤矿工作面生产的安全性提出了更高的要求。巷道支护效果是保证整个工作面安全生产的关键因素[1]。目前，应用于煤矿掘进工作面、综采工作面巷道支护的最常用的手段为锚杆（索）支护。然而，在实际应用中发现锚杆（索）支护存在不耦合支护和支护参数不确定的问题，进而导致巷道支护失败、巷道变形严重或者支护过度导致支护成本过高。因此，开展锚杆（索）支护机理研究是十分有必要的。

1 工程概况

本文以某煤矿为研究对象，某煤矿的年生产能力为120 Mt，共包括有四个采区且共有三个采区可开采。该煤矿回采巷道为煤顶巷道，煤层厚度为3 m；煤层倾角范围为1°～7°，该煤层属于近水平厚煤层。工作面顶底板情况如表1所示。

分析表1可知，由于工作面顶板泥岩的吸水性较大导致其容易软化，从而影响了工作面整个顶板的稳定性。随着巷道工作面的不断推进，在顶板动载荷的作用下，工作面巷道可能存在出现冒顶、片帮以及掉块的事故发生[2]。目前，工作面顶板采用全部垮落法进行管理，工作面进风顺槽采用锚杆+锚索支护+金属网联合支护的形式。为确保工作面巷道的安全生产，需加强对工作面巷道的支护管理。

表1 工作面顶底板情况

2 锚杆（索）联合支护机理

锚杆分为锚固端、自由端和外露端。锚固端基于药卷等锚固剂将锚杆与围岩紧密结合。锚索分为钢绞线、锁具和锚固剂三部分组成。根据锚索锚固端的受力情况可分为拉力分散型锚索、压力分散型锚索、拉压分散型锚索。

2.1 回采巷道锚杆支护机理

锚杆对巷道围岩的支护效果在一定程度上受制于岩体的结构类型。针对不同的岩体类型，锚杆所起的作用不同。其中，针对岩层强度较低的岩体，锚杆的主要作用是增加巷道围岩岩体结构面的抗剪强度；针对层状岩体而言，锚杆的主要作用是为工作面巷道围岩提供悬吊力；针对工作面的完整岩体而言，锚杆的主要作用是改善围岩的受力状态，进而减小顶板动载荷对围岩的变形和破坏[3]。

2.2 回采巷道锚杆（索）联合支护机理

锚索支护在巷道围岩的应用可提供较大锚固力、施加加大预紧力等优势。当锚杆支护不能达到围岩的关键承载层，必须引入锚索支护。锚索支护可进一步提升巷道围岩的稳定性和巷道岩体的抗剪强度。

锚杆（索）的联合支护可实现工作面巷道围岩的强度耦合、刚度耦合和结构耦合。

3 回采巷道支护现状

目前，某煤矿工作面巷道采用锚杆+锚索的联合支护方式，巷道断面的形状如下页图1所示。

锚杆参数如下：直径为20 mm，长度为2 200 mm，每排锚杆之间间距为800 mm，锚杆与锚杆之间的间距为1 000 mm；左帮锚杆的直径为18 mm，长度为1 800 mm，每排锚杆之间间距为750 mm，锚杆与锚杆之间的间距为800 mm；右帮锚杆的直径为18 mm，长度为1 800 mm，每排锚杆之间间距为750 mm，锚杆与锚杆之间的间距为800 mm。其中，顶锚杆的预应力为60 kN，左帮锚杆预应力为40 kN，右帮锚杆的预应力为40 kN。

锚索的参数如下：锚索类型为钢绞线，直径为17.8 mm，锚索长度为840 mm，每排锚索的间距为1 900 mm，锚索与锚索的间距为3 000 mm。锚索的预应力为200 kN。

图1 工作面巷道断面示意图（单位：mm）

4 锚杆（索）联合支护数值模拟

4.1 回采巷道锚杆（索）数值模拟的验证

根据某煤矿工作面3号煤层建立如图2所示的模型。

图2 3号煤层工作面模型

如图2所示，3号煤层工作面的尺寸为100 m×100 m×40 m，巷道形状为矩形。根据实际情况将模型上边界设定为自由边界，承受顶部煤层岩层的重力。在距离工作面82 m、72 m、62 m、52 m、42 m、32 m、22 m、12 m以及2 m下对巷道围岩的变形和受力情况进行仿真分析。

4.2 回采巷道锚杆（锚索）数值模拟结果的分析

1）当距离工作面距离为60 m，巷道顶板的变形量达到最大且最大变形量为90 mm；随着工作面进一步推进，顶板的变形量逐步减小。经分析可知，造成上述现象的主要原因为顶板初次来压。

2）当距离工作面的距离为20 m，巷道顶板的下沉量再次呈现上升趋势；且当距离工作面的距离为2 m时，巷道顶板的下沉量达到最大，且下沉量为110 mm。综上所述，巷道顶板的下沉量及变形量均很小，在可控制的范围之内。

3）随着工作面的不断推进，工作面巷道两帮的变形量不断增大，且最大变形量为煤壁侧帮，其变形量为35 mm；工作面侧巷帮的变形量为18 mm。

经数值模拟分析可知，所设计锚杆（索）联合支护下工作面巷道顶板、侧帮的变形量均非常小，在可控范围之内。

5 锚杆（索）联合应用效果的监测

将所设计的锚杆（索）支护参数应用于3号煤层工作面巷道的支护中，并对3号煤层工作面的巷道矿压进行监测。具体监测项目包括有：巷道表面的位移、巷道的离层状况、锚杆（索）的受力情况[4]。具体监测结果如下：

1）工作面巷道顶板的离层值为0，即说明巷道顶板的无离层现象；

2）工作面巷道顶底板移近量为0，两帮的移近量同样为0。即说明，在锚杆（索）的联合支护作用下，工作面巷道不存在变形，具有较佳的支护效果。

3）工作面巷道两帮的载荷值为10.42 kN；靠近工作面顶锚杆的载荷稳定在64 kN，远离工作面顶锚杆的载荷最小为10.02 kN；远离工作面顶锚索的载荷最小为18.8 kN，侧锚索的载荷为25 kN。综上所述，该支护参数下锚杆（索）可为工作面巷道围岩提供足够的锚固力[5]。

6 结语

煤矿巷道的支护效果直接决定工作面的安全性，进而决定工作面的采煤效率。应用当前应用最为广泛的锚杆+锚索的联合支护，可根据工作面巷道围岩情况、顶底板情况以及煤层特点设计相应的支护参数，确保所设计的支护参数既能够起到支护效果，也不会出现支护过度的现象，即，在保证工作面安全生产的同时，达到减少支护成本的目的。