煤矿采煤掘进工作中高强支护技术方案研究

2021-04-11郝晓飞

当代化工研究 2021年14期

＊郝晓飞

（山西煤炭进出口集团左权宏远煤业有限公司山西 032600）

引言

我国90%以上的煤矿开采工作在井下进行，因此巷道稳定性对于采煤掘进工作而言是极为重要的，没有稳定的巷道做基础，在持续采煤掘进过程中，巷道会出现稳定性下降，变形甚至塌方的情况，而想要提升巷道稳定性，强化其承载能力就必须从相应支护技术入手，根据井下岩层情况决定具体的支护方案。

目前来看，不少煤矿，其矿井周围岩层稳定性相对较差，存在软顶和软顶硬顶相结合的情况，在这种情况下，采用高强支护技术，能够在最大限度控制投资成本的基础上有效强化巷道稳定性。高强支护主要利用锚杆、钢丝网、锚索等相应支护设备，虽然采用的技术都属于传统支护技术，但将其进行科学组合后，能够对矿井周围岩层起到较好的支撑悬吊作用，整体效果较好。下文将对相关技术进行详细介绍。

1.高强度支护技术概述

根据当前我国煤矿井下开采巷道支护实际情况来看，绝大多数单位采取锚杆支护为主，辅以其他支护技术的支护方案。虽然在实际应用过程中，其支护情况也能满足基本采煤掘进需求，但是在效率成本方面始终难以与支护安全性相平衡。多数单位仍未明确高强度支护技术的关键技术理论，在开采掘进过程中为增加支护强度，往往采取增加锚杆密度、增加锚杆长度等投入高、效果差的方法。而这种方式不仅拖延了整体掘进速率，而且在成本方面也造成大量的浪费，在实施此类支护方案后，整体巷道强度并未得到明显增强。

巷道支护效果直接影响整个井下作业安全，保障支护强度能够有效减少煤矿安全事故发生率，同时即使发生了一系列非技术性原因的安全事故，由于有高强度支护技术的保障，也能够最大程度减少人员伤亡。从高强度支护技术重心上来看，其技术核心是锚杆支护技术，因此在研究高强度支护技术的过程中，应重点分析锚杆支护相关内容。而在分析锚杆技术时，应注意对其力学情况以及锚杆具体布置情况进行分析，锚杆在何种顶板上应采取怎样的支护方案，锚杆本身应通过哪些方向的调整来增加支护强度，这些都是影响煤矿采煤掘进工作以及整体矿井安全的重要问题，也是高强度支护技术的技术核心。不同情况下，锚杆的受力情况分析需要进行大量的数据模拟，采取科学的力学计算方式，能够最大限度保障科学选择锚杆种类，同时也能够通过更为合理的锚杆施工来达到高强度支护的目的，这些对于减少支护成本支出，提升巷道整体稳定性均具有重要作用。

2.锚杆支护力学分析

(1)悬吊力学分析

锚杆是煤矿支护的基本构成部分，锚杆本身不仅能够增加软顶层细碎松动部分相互的摩擦力，而且还能够在纵向形成较好的拉力作用，由此让锚杆支护起到悬吊软顶层的作用，从力学角度分析，悬吊理论必须要有一个稳定围岩面，如果没有稳定的围岩面那么松软岩层将无处悬吊。

(2)组合梁分析

组合梁理论将层状围岩利用锚杆进行紧固，层状围岩在不加以锚杆支护的情况下，自身有一定静摩擦力，而加入锚杆之后，由于将各层围岩紧密地联系在了一起，因此可以很大程度上增加岩层之间的静摩擦力，这在很大程度上避免了层状围岩发生位移。另一方面，单层围岩其刚度有限，能够承载的力相对较小，而通过锚杆支护以后多层围岩被紧密的固定在一起，因此其整体承载能力相对较大，在较大的应力作用下，也不会发生较大的滑移现象。这一理论进行支护是需要分析层岩在锚杆支护形成组合梁后需要承载的应力大小，以此为基础，可以了解锚杆支护的具体参数。不过由于组合梁理论单方面考虑了层岩以及锚杆在支护过程中所能起到的力学作用，没有将二者进行组合，因此其实际参数和设计参数之间往往有一定差异。

(3)组合拱分析

组合拱支护方案是将锚杆安装于巷道围岩的裂隙发育区，在这种支护方案下由于压应力区出现重叠，因而围岩整体强度较高。锚杆进入后除了能够增加宫内岩层静摩擦力还能够有效形成三相受力的压缩拱，在两方面因素的共同作用下，锚固强度大幅提升，尤其是压缩拱由于该压缩拱内三向受力，因此其受力结构相对稳定，能够在很大程度上提高围岩的压应力承载能力。直接增加静摩擦力，能够有效避免岩层滑动而形成的三相受力压缩拱，则能够很好的预防围岩变形。

3.锚杆参数与预应力分析

(1)模拟参数与锚杆安装

利用数字重建模拟软件，对某煤矿巷道支护情况进行分析。该煤矿巷道高3m，巷道宽度为5.3m，属于煤岩顶板型矿井，所选支护方案为锚杆支护，锚杆具体参数如下，锚杆长度2.3m，直径20cm，断破载荷为300kN。通过数字模拟得到2点锚杆预应力影响结果。分别为低限数值和高限数值，模拟结果显示锚杆预应力小于20kN以及大于100kN时，巷道整体压应力范围变化较大，当低于20kN时，锚杆所形成的压应力范围相对较小，因此难以发挥良好的支护效果，从近零应力区范围来看，当锚杆预应力小于20kN时其近零应力区范围扩大，因此安全性受到影响。而当预应力相对较高时，情况则恰恰相反，围岩本身紧密连接，静摩擦力相对较大，几乎不留死角，整体安全性相对较高。

从锚杆长度上来看，在一定限度范围内，随着锚杆长度的增加，预应力水平也逐渐增加，但在一定范围以外锚杆长度的增加，并不能对预应力大小起到直接影响，由此可知，在进行锚杆支护设计过程中，要重点考虑预应力与锚杆长度之间的最优解。从锚杆间距上来看过小的锚杆间距不仅不能起到良好的支护效果，反而会导致岩层破碎度增加，进而影响支护效果，而锚杆间距过大也会导致近零应力区增大，这同样不利于支护安全，以该煤矿为例，通过模拟计算可知当锚杆间距在0.5～0.7m之间时，其煤岩破碎度明显增加，而锚杆间距在1.4m及以上时近零应力区相对较大，安全性下降。通过计算可知，该煤矿最佳锚杆间距为1m。以该煤矿为例，顶板锚杆安装角度最佳角度为90°，随着安装角度的不断增加，每根锚杆所形成的压应力区域分散，不容易从整体上提升支护安全。

(2)具体设计

从按照安全角度来看选择材料强度更高的锚杆能够更好的提升支护效果。在设计过程中要注意设置正确的锚杆预应力，根据上文数字模拟分析结果可知，并非支护密度越大，支护效果越好，因此可以通过适当增加预应力数值，降低锚杆密度，保障锚杆强度的情况下，保障快速掘进。设计过程中应注意考虑围岩应力据此计算锚杆预应力数值。锚杆直径方面需要注意实际钻孔作业能力和岩层匹配工作，虽然锚杆直径增加直接增加断破强度，但锚固效果并不与断破强度直接相关。钻孔实际直径大于钻杆直径，因此在锚杆选择上要注意保持二者的匹配性。根据上述数字模拟结果，该煤矿最佳锚杆长度为2.1m，过短则无法形成层叠的压应力区，而过长也不能增加岩层的承载力。而从锚固方式和锚固角度两点上来看，端部锚固能够起到更好的牢固效果，而牢固角度来看，顶板锚固最好垂直安装锚杆，最大角度不宜超过10°。