锚杆锚索联合支护机理研究及应用效果

孙 强

（宏圣建筑有限公司第一管理部常店项目部， 山西 沁水 048205）

引言

巷道支护效果和质量是保障综采工作面安全生产的基础。目前，锚杆支护在我国绝大部分矿区的支护效率已经高达90%。近年来，随着我国采煤技术及采煤工艺的不断进步，仅依靠锚杆支护已经不能够满足综合机械化采煤的要求，主要突出表现为巷道掘进速率低、采掘工作面的压力交替变化大[1]。为保障综掘工作面的高效、安全生产，锚杆锚索的联合支护技术被应用于实际生产中。本文针对某矿工程，着重对锚杆锚索的联合支护技术进行研究，并验证其应用效果。

1 某矿工程概况

该矿的生产能力为120 Mt/a，工作面煤层厚度范围为4.63～6.62 m，煤层平均厚度为5.97 m。工作面所采用的采煤工艺为综采放顶工艺，并采用垮落法对工作面顶板进行管理。工作面的顶底板情况如表1所示。

表1 工作面顶底板情况

经对工作面煤层的力学进行测量可知：煤层煤炭的容重为14.2 kN/m3，煤层的弹性模量为17.55 GPa，煤层的抗拉强度为0.95 MPa，煤层的抗压强度为16.5 MPa，煤层的泊松比为0.31。

2 锚杆锚索联合支护机理研究

本文着重对工作面回采巷道进行支护设计，研究回采巷道锚杆和锚杆—锚索联合支护机理。

2.1 回采巷道锚杆支护机理研究

锚杆支护在我国综采工作面应用的时间最长，在多年的不断优化和改进的基础上，锚杆支护技术已经趋于成熟。不同的巷道形状及地质条件所依据的锚杆支护原理不同。其中，当工作面巷道的煤层厚度小于所选锚杆的有效锚固长度时，锚杆主要承担组合梁的作用；当工作面巷道的煤层厚度大于所选锚杆的有效锚固长度时，锚杆主要承担挤压加固的作用。锚杆支护的主要原理为通过锚杆与巷道围岩的联合支护实现对整个巷道的支护，基于锚杆支护强化巷道围岩岩体结构面的抗剪强度[2]。

总的来说，锚杆支护可改善巷道围岩的应力状态，从而减小围岩的变形和破坏，从而实现对巷道的支护。

2.2 回采巷道锚杆锚索联合支护机理研究

锚杆锚索的联合支护在传统锚杆支护的基础上，通过锚索加强对巷道围岩的支护。在实际支护过程中，锚杆锚索的支护不单单是简单的强化锚杆的支护作用，锚杆支护与锚索支护是相互促进的关系。锚索支护具有一定的承载能力，能够承担巷道围岩一定位移的变形量，从而保证在传统锚杆支护下允许围岩出现可控的变形。即，在传统锚杆支护的作用下，锚索支护的强化作用可确保工作面巷道围岩在一定范围内变形时仍然可保持稳定。

总的来说，基于锚杆锚索的联合支护，不仅可在一定程度上改善传统锚杆的支护效果，还能够在锚索的强化作用下对巷道围岩实现最大变形量的控制[3]。

3 锚杆锚索联合支护设计

本文所研究工作面巷道的形状为矩形，巷道的宽度为4 500 mm，高度为2 900 mm。工作面巷道采用锚杆锚索的联合支护方式。支护参数具体如下：

1）工作面巷道两帮采用玻璃钢锚杆和普通锚杆支护的形式。且普通锚杆和玻璃钢锚杆的直径均为22 mm，长度均为2 400 mm。锚杆之间间距为750 mm，每排锚杆之间的间距为1 000 mm。所选锚固剂的型号为Z2360。

2）顶板采用锚杆锚索的联合支护。所选型锚杆的直径为22 mm，锚杆长度为2 400 m，锚杆之间的间距为800 mm，每排锚杆之间的间距为1 000 mm，为其配置两种锚固剂分别为K2335和Z2360；所选型锚索的直径为17.8 mm，锚索长度为6 000 mm，锚索之间的间距为1 900 mm，每排锚索的间距为3 000 mm，对应的锚固剂的型号为K2335和Z2360。

图1所示为工作面巷道采用锚杆锚索联合支护后的断面图。

图1 工作面巷道支护断面示意图（单位：mm）

4 锚杆锚索联合支护效果验证

为验证上述锚杆锚索联合支护的效果，对支护后工作面顶板和两帮的移近量进行监测、对巷道顶板的离层量以及巷道锚杆锚索的受力情况进行观测。

针对巷道顶板和两帮移近量的监测，在工作面巷道内采用十字布点法对上述参数进行监测；将顶板离层仪布置于工作面巷道的顶板，分为深基点和浅基点[4]。其中，深基点位于工作面巷道顶板的8 m之上，浅基点位于工作面巷道顶板2 m的位置处[5]；采用锚杆测力计对锚杆和锚索的受力情况进行监测。其中，针对锚杆受力情况采用MJ-40型锚杆测力计，针对锚索受力情况采用MJ-60型测力计进行监测。

本次支护效果的监测试验从2019年9月20日至2019年11月30日，共历经70 d。

4.1 巷道两帮的位移监测结果（如图2所示）

如图2所示，巷道两帮采用玻璃锚杆和普通锚杆的支护下，巷道两帮的移近量约为4 350 mm与巷道的净宽量相近；巷道两帮玻璃锚杆和普通锚杆的受力变化趋势一致，其中在整个工作面的推进中两种锚杆的最大受力为10.47 kN，最小锚杆受力为10.02 kN。

图2 巷道两帮位移量监测情况

4.2 巷道顶板的位移量监测结果（如图3所示）

图3 巷道顶板的移近量及锚杆受力情况

如图3所示，巷道顶板采用锚杆锚索的联合支护后，巷道顶板的移近量保持不变约为2 950 mm，与巷道顶板的净高一致。图中：F锚杆为靠近工作面的侧锚杆，B锚杆为远离工作面的侧锚杆。随着工作面的推进，F锚杆的受力变化明显，而B锚杆的受力变化较小。其中，F锚杆在工作面推进到14 m时受力值最大为60 kN；B锚杆在工作面推进至约38 m的位置处受力达到最大值为16 kN，并且随着工作面的继续推进B锚杆的受力不变。

4.3 锚索的受力监测结果（如下页图4所示）

如图4所示，C锚索为靠近工作面的锚索，E锚索为远离工作面的锚索。当工作面由140 m推进至约80 m的位置处时，两类锚索的受力变化趋势一致，最小值为15.9 kN，最大值为18.8 kN。随着工作面的继续推进，E锚索的受力不变一致保持在18.8 kN；C锚索的受力瞬间增大至25.1 kN。

图4 锚索受力情况

5 结论

锚杆锚索联合支护应用在某工作面巷道的支护中，经对巷两帮和顶板的支护参数进行设计并将其应用于实际生产中，对其70 d内应用效果进行监测，具体结果如下：

1）巷道顶板的移近量与巷道净高度一致，说明巷道顶板无离层现象；

2）巷道两帮的移近量与巷道净宽度一致，说明巷道两帮无变形；

3）工作面巷道顶板和两帮所选型的锚杆、锚索的最大受力分别为60 kN和25 kN，不存在锚杆断裂的风险。