昌泰煤业锚杆支护改革的实践

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摘要：在对昌泰煤业原有支护状况进行综合评估的基础上，采用高预应力支护理念进行支护的改革。通过详细的地质力学测试，提出初始支护方案。在井下进行试验后，支护效果良好，锚杆受力合理，巷道变形较小、可控，真正做到了经济合理。

关键词：高预应力支护 地质力学测试 初始支护方案

潞安集团寿阳潞阳昌泰煤业有限公司位于晋中市寿阳县解愁乡荣家沟村-红花堙村之间，行政区划属解愁乡管辖。属沁水煤田，井田面积3.7252km2，矿井规模为60万t/a，批准开采煤层8-15下号煤层，其中12号煤层为主采煤层，12号煤层平均厚度为1.61m。

1 原有支护评估情况

资源整合之前，昌泰煤业为乡镇企业，缺乏对先进技术的重视与探索。由于基础数据的缺乏，矿井井巷工程的设计随意性较大。以锚网支护巷道为例，支护主要存在以下问题：①支护参数偏保守，锚杆间排距大都控制在800mm×800mm以内，甚至更小。②设计一成不变，导致有的区域支护密度大，造成材料浪费和进度缓慢；有的区域压力异常而不采取其他措施，导致顶板变形严重。③锚杆、锚索预应力过低，初始支护强度低，无法发挥主动支护作用，致使部分异常区域在较大支护密度下仍变形严重。④锚杆、锚索构件不合理，比如托板不可调心、钢筋托梁太窄等，预应力扩散差，支护体受力状态差。⑤锚杆、锚索支护密度不匹配，导致有的区域支护过密，有的区域又不合理。综合以上情况，昌泰煤业原有支护缺乏一定的力学数据基础和灵活性，大大影响了掘进速度和顶板安全，进而影响到了矿井的高产高效。因此，非常有必要对矿井的支护进行改革，依据各种基础地质力学参数进行适当调整，做到在保证顶板安全的提前下，尽可能地提高掘进速度。

2 高预应力支护方法的应用

针对以上情况，通过和北京天地科技股份有限公司合作，采用高预应力支护方法进行支护，其核心为高预应力及预应力的扩散[1]。采用动态信息设计法进行支护设计，主要包括地质力学测试、初始设计、井下试验反馈等几个关键阶段。下面以12101工作面作为试验巷道进行应用，12101工作面断面呈矩形，掘进宽4.2m，高3.1m，掘进断面积为13m2，沿煤层底板掘进，属于普通回采巷道，服务一个工作面。

2.1 地质力学测试 在进行支护设计前，必须进行详细的地质力学测试，以便获得相对准确的基础参数，主要包括：地应力大小及方向、煤层及顶板的原位单轴抗压强度、围岩结构面的分布等[2]。地应力测试采用水压致裂法平面应力测量进行，钻孔为垂直钻孔，即垂直主应力根据煤层埋深推算得到。根据岩体的破裂压力和弹性力学平面问题求解得到最大主应力和最小主应力，即原岩中的最大水平主应力和最小水平主应力。围岩强度采取原位钻孔触探法进行，围岩结构采用全景式电子钻孔窥视仪进行分析。地应力测量结果如表1所示，3个测站最大水平主应力（σH）均大于垂直应力，垂直应力（σV）均大于最小水平主应力（σh）。从量值上来划分，昌泰煤业公司应力场量值属于低应力值区域。在数值上为σH>σV>σh型，即最大水平主应力大于垂直应力，类型为水平应力场。

12101工作面测点的最大水平主应力方向为N7.1°E，12101工作面布置方向为N41°E，与最大水平主应力之间的锐角为33.9°，根据澳大利亚学者W.J.Gale的最大水平应力理论，顶板右侧受地应力的影响，会形成应力集中，相对破坏严重。该处顶板0～1.7m为煤，黑色，裂隙发育；1.7～10.6m为泥质砂岩，深灰色，2.0m处较破碎，6.0～6.3m之间非常破碎，形成空洞，8.6～8.7m及9.0m处离层明显，其他地方横向裂隙较发育；10.6～11.7m为煤，黑色，较完整；11.7～15.2m为砂质泥岩，灰色，其中14.6～15.1m范围内裂隙发育，岩层较破碎；15.2～20.8m为中粗砂岩，灰白―深灰色，整体完整，局部有离层。

地质力学测试所测区域内顶板10m范围内顶板岩层强度主要集中在20～80MPa之间，12101工作面测点岩层强度2.5～9m内平均55MPa，9～10m范围内为10 MPa；煤体强度大部分集中在6～24 MPa之间，12101工作面测点煤体强度集中在6～15 MPa之间，平均为10 MPa。

从地质力学测试结果看，昌泰煤业开拓区域属于地应力场类型，顶板岩层强度中等，局部有离层，整体较为完整。

2.2 试验巷道初始支护设计 经过数值模拟多方案比较，确定12101工作面采取高强锚杆、锚索组合支护技术进行支护。

顶板支护：锚杆为335号左旋无纵筋螺纹钢，直径为22mm、长度为2400mm，配合相应的调心球垫、减摩垫片及拱形高强度托板，间排距为1000mm×1000mm，组合构件为D14mm钢筋焊接的宽度为80mm的钢筋托梁；锚索材料为D18.9mm、1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长6300mm，间排距为1500mm×2000mm；顶板铺设10号菱形金属网。

两帮支护：内侧帮采用玻璃钢锚杆配合木托板支护，外侧帮采用与顶板锚杆相同规格的锚杆及附件，用钢筋托梁联接；内侧帮铺设塑料网，外侧帮铺设10号菱形金属网。

按照高预应力要求，锚杆预紧力矩需达到300N・m，锚索初次张拉到250kN。支护布置如图1所示。

3 支护效果及矿压监测

试验巷道施工后，进行了矿压监测，主要包括锚杆受力及巷道表面变形监测。监测结果如图2、图3所示。

（1号、2号、3号为左帮锚杆，4号、5号、6号为顶板锚杆）

由图2可知，左帮锚杆受力较大，最大为104kN，平均为95kN；顶板锚杆虽然由于顶煤松软等原因导致初始预紧力不大（仅为30kN左右），但锚杆受力变化幅度不大，最大仅为70kN，平均为43kN。从锚杆受力来看，锚杆受力最大为屈服强度的77.6%，既满足了支护的需要，又充分利用了锚杆的强度，做到了经济合理。

由图3可知，巷道的表面变形在距离迎头40m范围内增加较快，40m以后逐渐趋于稳定；但总体变形较小，顶板下沉量在掘进影响期内为20mm，两帮移近量为47mm。与原有支护相比，现在支护密度大大降低，巷道的变形也相对较小，表明该支护参数在保证顶板安全的同时，提高了掘进速度，能满足矿井高产高效的需要。

4 结论

①昌泰煤业为整合矿井，基础数据匮乏，支护设计随意性大，有必要进行详细的研究，使设计趋向合理高效。②采用高预应力支护理论进行锚杆支护动态信息设计，在进行地质力学测试和数值模拟多方案比较后，确定支护参数，井下进行工业试验通过矿压监测反馈进行设计调整。③新支护方案试验后，巷道支护状况大大改观，矿压监测表明，支护设计经济合理，能保证矿井的高产高效。

参考文献：

[1]康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[2]申志平.潞宁煤矿煤巷锚杆支护技术改造[J].煤矿开采，2008，13（5）：57-59.

[3]康红普.煤矿预应力锚杆支护技术的发展与应用[J].煤矿开采，2011（03）.

作者简介：常宏（1970-），男，山西长治人，助理工程师，从事矿井安全技术工作。