大跨度切眼锚杆锚索支护技术的研究与应用

秦晓伟

（山西高河能源有限公司， 山西 长治 047100）

引言

巷道锚杆支护技术在不断进步，为安全的巷道提供了保障作用[1]。与被动支架支护技术相比，锚杆通过加固围岩的稳定性，不仅改善了矿工的操作难度，提高了施工效率，更大程度地改善了矿井巷道的安全稳定性。但针对目前煤矿大煤层出现的大跨度切眼的支护难题，传统的锚杆支护已不能够更好地维护巷道的安全稳定性，使得切眼工程无法进行，并且在矿工实施过程中仍伴随着煤层脱落，安全隐患比较多。如何能够在传统锚杆支护的技术基础的支持下，优化改进锚杆锚索支护技术是目前亟待实现大跨度切眼的一项重要工作。

1 工程概况

高河能源公司某煤矿东侧倾角为30°，且煤质较硬；西侧倾角为33°～56°，煤质较软。综合分析，切眼位置定于矿井的西侧，切眼布置于大煤层中，该煤层顶板的切眼围岩岩性分布情况如表1 所示。同时，切眼为矩形形状，高宽分别为3 m 和8 m。

表1 某煤矿煤层顶板情况

2 锚杆锚索支护参数的优化

2.1 顶锚杆支护参数的优化

分别利用三种传统的设计方法对顶锚杆支护参数进行计算，这三种方法分别是基于等效圆法、基于普氏冒落拱法以及等效椭圆法。

1）等效圆法。当开始切眼时，升高了围岩局部区域地压力，打破了原有岩石周围的应力平衡。将原本切眼的矩形形状等效为圆形，经理论计算所得：顶锚杆材质选用锚杆直径为22 mm，锚杆长度为6.5 m，锚杆间距为381 mm，锚杆排距为800 mm，锚固长度为400 mm。

2）普氏冒落拱法。当开始切眼时，若应力超过原有的围岩应力分布，顶部的部分岩石因此掉落直至平衡，所以需对此部分进行支护考虑，该操作界面为拱形，经理论计算所得：顶锚杆材质选用锚杆直径为22 mm，锚杆长度为5.2 m，锚杆间距为500 mm；锚杆排距为800 mm；锚固长度为400 mm。

3）等效椭圆法。大跨度切眼问题中跨度一般高于8 m，因此对于前两种理论计算来说，理论值明显与实际值不相符。等效椭圆法则是将矩形切眼以外的部分也归纳进入为切眼所造成的松散区域，更加符合大煤层的大跨度切眼问题。该操作界面为外接椭圆形，理论计算所得：顶锚杆材质选用锚杆直径为22 mm，锚杆长度为2.9 m，锚杆间距为800 mm，锚杆排距为800 mm，锚固长度为400 mm。

综合以上三种计算方法，再结合目前切眼高度为3 m，等效圆法和普氏冒落拱法所计算的锚杆长度分别为6.5 m 和5.2 m，此数值均大于切眼的实际高度。同时，这两种方法计算的锚杆间距过小，不适用于实际的掘进操作。针对以上分析，最终计算方法选择等效椭圆法，顶锚杆支护参数优化为：选用螺纹钢锚杆，其直径为22 mm，锚杆长度为2.9 m，锚杆间距为800 mm，锚杆排距为800 mm，锚固长度为400 mm。

2.2 帮锚杆以及锚索支护参数的优化

经理论计算所得，帮锚杆的支护参数优化为：选用玻璃钢锚杆其直径为18 mm，锚杆长度为2.2 m，锚杆间距为1 000 mm；锚杆排距为800 mm；锚固长度为200 mm。

锚索在预应力中主动承担着高抗锚索的高抗滑力来维持岩石的稳定性，进而维护巷道的安全性。支护参数优化：选用直径为15.24 mm 的钢绞线，每三排锚杆支护中间加5 根锚索，每根锚索的间距为1.3m，长度6 m，排距2.4 m[2-3]。

3 锚杆锚索支护效果的监测

监测内容主要包括：通过监测大煤层跨度切眼的锚杆受力状态、顶板下沉状态以及顶部与底部之间的离层状态，判断按理论计算出的支护参数应用于实际状态的支护效果，同时，通过监测结果的计算分析，利用可视化数据，直观地表征出围岩的受力变化规律，及时调整支护状态，确保整个施工过程的安全性[4-5]。

在监测期间，煤层下沉的位移共计114 mm，其中最快的沉降速度为23 mm/d, 平均数据为7.1 mm/d；顶部与底部的离层位移最终确定为52.5 mm。通过将数据记录、收集、计算与处理分析得出，该顶板下沉以及顶部与底部的离层位移变化趋势主要分为三阶段，第一阶段：初始施工2 d 之内，不稳定因素较多、变化较快，大概占比46%；第二阶段：施工2～5 d 内，位移变化速度减慢，占比36%；第三阶段：施工5 d 之后，位移变化速度趋于稳定，占比18%，而后趋于稳定。此外，锚杆所受力大概在39 kN。

经监测，顶板下沉以及顶部与底部的离层位移变化已趋于稳定状态，锚杆受力也处于理论范围内。综上，该锚杆锚索支护参数优化，针对大煤层大跨度切眼已起到实际的加固强化的效果。

4 结论

本文以高河能源有限公司某煤矿为应用工程项目，该煤矿属于大煤层大跨度切眼支护技术的研究对象。将切眼布置为矩形，即高3 m，宽8 m。通过对比等效圆法、普氏冒落拱法和等效椭圆法，等效椭圆法更加符合切眼的实际高度。同时，前方法计算的锚杆间距过小，不适用于实际掘井操作。针对以上分析，最终计算方法选择等效椭圆法，顶锚杆支护参数优化为：选用螺纹钢锚杆其直径为22 mm，锚杆长度为2.9 m，锚杆间距为800 mm；锚杆排距为800 mm；锚固长度为400 mm。帮锚杆的支护参数优化为：选用玻璃钢锚杆其直径为18 mm，锚杆长度为2.2 m，锚杆间距为1 000 mm；锚杆排距为800 mm；锚固长度为200 mm。锚索的支护参数优化：选用直径为15.24 mm 的钢绞线，每三排锚杆支护中间加5 根锚索，每根锚索的间距为1 300 mm，长度6m，排距2 400 mm。最后，为了理论联系实际，本文将最终选定的优化参数应用于煤矿的实际施工过程中。通过监测大煤层跨度切眼的锚杆受力状态、顶板下沉状态以及顶部与底部之间的离层状态，得出该支护设计优化方案起到加固巷道的效果，符合矿工安全生产施工的标准。在本次大跨度切眼锚杆锚索支护技术探究案例中，该研究方法以及研究方案对今后相似类型施工工程有一定的指导意义。