锚杆支护在综采工作面回撤通道中的应用

孙海林

（晋能控股煤业集团永定庄煤业公司机掘三队，山西 大同 037024）

引言

煤炭资源需求量的增长推动了煤炭掘进工作的飞速发展，也对煤炭掘进工作的安全性提出了更高的要求[1]。锚杆支护作为煤炭井下稳定作业的重要保障，不仅关系着井下旷工的生命安全，还与煤炭企业的产煤量和效率息息相关，现已引起了煤炭行业的广泛关注[2-3]。查阅相关资料可知[4-5]，国内学者对于回撤通道围岩支护参数的理论研究较多，联系实际方面存在明显的不足。实际工作面锚杆支护服役环境极为恶劣、地质条件多变，相同锚杆支护方案就会产生不同的锚杆支护效果，甚至会因锚杆支护强度的不足产生安全事故，给煤炭企业带来较大的经济损失[6]。因此，针对某煤矿工作面回撤巷道支护参数及锚固检测工作展开分析，并提出了优化改进方案。

1 综采工作面概况

某煤矿工作面采煤方式为倾斜长壁后退式全部垮落综合机械化采煤法，平均的埋深尺寸为135 m，倾斜长度尺寸约为895 m，走向长度尺寸约为300 m，煤层的最大倾斜角度为3°，平均煤层的厚度为4.84 m。赋存煤层的结构较为简单和稳定，直接顶为砂岩，厚度尺寸范围为3.3~5.6 m，检测得出单轴抗压强度平均值为35.2 MPa，基本顶为中粒砂岩，厚度尺寸范围为9.0~24.8 m，检测得出单轴抗压强度平均值为45.6 MPa。工作面回撤巷道横断面为矩形，规格尺寸为4 800 mm×3 700 mm，巷道沿煤层倾斜方向分布，沿煤层顶板掘进。工作面及巷道的具体布置如图1所示。

图1 工作面及巷道的具体布置图

2 巷道原支护概况

2.1 支护方案

根据煤矿工作面实际情况，查阅原支护方案下回撤巷道的支护结构，得出煤炭回撤巷道顶板支护使用的是“锚杆（索）+网+钢带”支护方法。顶板锚杆使用的是右旋螺纹钢筋，规格型号为Φ20 mm×2 200 mm，锚杆间距尺寸为1 000 mm，锚杆排距尺寸为800 mm，锚固时的锚杆有效长度为1 600 mm；钢带长度尺寸为4 500 mm，由直径尺寸为Φ12 mm的圆钢制备而成；锚索由钢绞线制备，规格尺寸为Φ15.24 mm×8 000 mm，锚杆间距尺寸为2 400 mm，锚杆排距尺寸为2 400 mm，有效的锚杆长度尺寸为6 000 mm。

回撤巷道两帮支护形式为“锚杆+网+钢带”，其锚杆间距尺寸为900 mm，锚杆排距尺寸为800 mm，工作面一侧使用的是Φ20 mm×1 800 mm的玻璃钢锚杆，煤柱一侧使用的是Φ20 mm×2 000 mm的螺纹钢制锚杆，使用的钢带长度尺寸为3 440 mm，由Φ20 mm的圆钢制备而成。回撤巷道原支护断面布置如下页图2所示。

图2 原有巷道支护断面图（单位：mm）

2.2 存在的问题

为了更好地了解工作面回采巷道实施锚杆支护岩层的抗拉强度，对工作面顶板岩层进行取样作为加锚基体，运用力学性能相同的钢网模拟锚杆锚索，完成室内巴西劈裂试验。试验结果表明，回撤巷道顶板加锚岩层允许抗拉强度为3.52 MPa，经计算得出，原支护方案锚固梁承受的最大拉应力为3.83 MPa。由试验检测结果可以发现，原支护方案锚固梁承受的最大拉应力高出了锚岩层允许抗拉强度，其数值为0.31 MPa，存在明显的锚固力不足的问题。煤炭工作面作业过程中一旦出现锚杆支护失效情况，将会产生不可估量的伤亡和经济损失，必须引起高度重视。既然原支护方法不能有效对回撤通道围岩进行支护，那就需要进行一定的改进，以便提高工作面回撤巷道的支护安全性和可靠性。

3 改进方案

3.1 改进方法

由工作面回撤巷道锚杆支护存在实际锚固梁承受的最大拉应力超过了加锚岩层允许的抗拉强度情况，给煤矿井下作业人员及设备产带来安全隐患，因此，需要结合工作面实际情况及锚杆支护方法进行一定的改进设计。

实际工作面向前推进时，回撤巷道顶板主要受采动的影响，破坏范围不断向深处扩展，现场检查发现，回撤巷道顶板破坏能够影响到锚杆锚固的端部，破坏了锚杆锚固结构体，降低了锚杆支护强度。结合工作面回撤巷道实际情况及笔者的工作经验，拟采用增加顶板锚索的方法补强，需要在巷道内部增设垛式支架。该方法能够提高锚杆支护强度，同时能够与钢带一起进行护表，避免网兜情况的出现，确保锚固梁自身的完整性。与此同时，锚索将下部软弱岩层与深部基岩紧紧锚固在一起，能够降低二者之间离层的出现，达到锚固范围内部岩层整体受载，均匀变形的目的。通过在工作面回撤巷道内部增设两排垛式支架的方法，不仅能够提高锚杆支护的强度，还能起到抵消超前支承压力对巷道顶板岩层的作用力。

3.2 顶板补强方案

确定了工作面回撤巷道改进方法之后开展具体支护方案的设计，基于原有巷道支护结构，确定了如下具体的顶板补强方案，如图3所示。回撤巷道顶板位置增设4根锚索，锚索使用钢绞丝制备，规格为Φ15.24 mm×8 000 mm，锚索间距为1 200 mm，锚索排距为1 600 mm，锚索有效锚固长度尺寸为600 mm，选择W型钢带与之配合使用。在巷道内部增设两排垛式支架，规格选择工作阻力大小为10 000 kN的支架。除此之外，工作面回撤巷道的支护形式，如两帮等，均与改进之前一致，未进行参数修改。

图3 加固支护方案（单位：mm）

4 应用效果评价

为了验证工作面回撤巷道补强支护方案的效果，将其应用于工作面回撤巷道支护现场，通过检测回撤巷道的变形情况，确定补强支护方案的可行性。工作面回撤巷道变形检测点布置如下页图4所示，选取5点进行检测，各点之间相距60 m，工作面距离回撤巷道50 m位置运用十字布点法进行监测。为了突出表现回撤巷道补强支护下顶底板的支护效果，分别采集了该工作面回撤巷道及相邻工作面回撤巷道的顶底板移近量进行对比分析，其中相邻工作面回撤巷道支护采用的是原来的支护方法，二者的监测结果如图5和图6所示。由图5和图6的监测结果统计数据可以看出，改进之前工作面回撤巷道顶板最大的下沉量是750 mm，改进之后的工作面回撤巷道顶板最大下沉量仅为445 mm，比较计算可以得出，改进之后工作面回撤巷道顶板下沉量减少了305 mm，顶板下沉比例降低约40%，取得了很好的应用效果。

图4 监测点布置

图5 工作面回撤巷道顶板移近量

图6 相邻工作面回撤巷道顶板移近量

5 结论

锚杆支护作为煤炭工作面内安全工作的重要保障，其支护效果直接关系着煤炭的正常掘进工作。针对某煤炭工作面回撤巷道支护参数现状，开展了锚固情况检测工作。结果表明，锚杆支护岩层抗拉强度低于实际承受的拉应力，存在安全隐患。通过增设两排垛式支架进行补强之后，大大改善了锚杆支护的效果。数据统计结果显示，改进之后工作面回撤巷道顶板下沉量减少了305 mm，顶板下沉比例降低约40%，具有很好的应用前景。