提升矿井巷道掘进速度的锚杆支护技术

张建廷

（晋能控股集团有限公司同家梁矿， 山西 大同 037003）

引言

随着煤炭资源开采规模逐年增加，煤炭开采难度越来越大，对井下巷道的支护要求越来越高，在确保安全的情况下提升采矿效率，有助于煤炭企业提质增收。高应力巷道由于初期形变不易控制，在围岩第一时间进行支护效果不明显，故许多企业对锚杆让压支护方式进行研究[1]。

1 山西某矿支护现状分析

1.1 地质概况

山西某矿8 号煤层2307 巷道的截面呈矩形，巷道长1 500 m、宽4.2 m、高2.7 m。巷道围岩为炭质泥岩、砂泥岩，结构完整性差，岩体较为松散[2]。

1.2 巷道支护现状

顶板支护与巷帮支护，均选用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，垂直顶板进行安装布放，锚杆钢材型号为BHRB500，尺寸为Φ22 mm×2 400 mm。单排锚杆设定数量为6 根，锚杆间排距900 mm、1 000 mm，钻孔直径30 mm，采用加长锚固的方式进行锚杆固定，树脂锚固剂选用MSK2335 型号。锚杆托盘采用拱形高强度托盘，预紧扭矩为400 N·m。巷道支护现状示意图，如图1 所示。

图1 巷道支护现状示意图（单位：mm）

1.3 存在的问题

1）巷道的掘进速度受锚杆布放密度影响较大；

2）锚杆安装角度未经过计算推导，均采用垂直顶板角度安装；

3）巷道单点应力增加无法进行让压，有可能造成支护体毁坏。

2 支护方案研究与质量监测

2.1 支护方案研究

2.1.1 锚杆材质

在巷道锚杆材质的选择中，以高强度的螺纹钢为主，根据旋螺纹方向的不同，可分为无纵筋左旋螺纹钢和无纵筋右旋螺纹钢两种。因左旋锚杆的杆体与树脂结合更加密切，锚固效果更好，具有锚固力大、延伸率强、稳定性强的优势，故锚杆材质选定为无纵筋左旋螺纹钢。

2.1.2 锚杆长度

锚杆长度也是锚杆选材的重要参数，锚杆长度表示为l1，可通过式（1）进行计算：

式中：k1为围岩影响系数，一般取0.9～1.2；b1为巷道宽度，m。

参照甘庄煤矿的巷道地质情况，b1取值4.2 m，k1取值选定为1～1.1，将数据代入式（1）可得，锚杆长度最佳取值为1.9～2.1 m。结合厂家生产标准，选定锚杆长度为2.1 m。

2.1.3 锚杆直径

为确保锚杆提供足够支护助力，防止顶板形变过大，通常选取的锚杆直径要比钻孔直径小6～8 mm，部分情况差值可放宽至4～10 mm。这样的锚杆与孔径搭配最为合理。孔径取值一般为26～30 mm，兼顾生产成本与施工便利性，锚杆直径选定为22 mm。

2.1.4 锚杆间距

巷道锚杆支护通常等距放置，锚杆间距d1的长度主要和锚杆长度l1有关，通常取值参照式（2）：

由式（2）可得，锚杆的间距为d1≤1.05 m。在确保支护质量的情况下，合理设置锚杆间距可提升掘进速度、降低生产成本，最终选定的锚杆间距为1～1.05 m。

2.1.5 锚索材质与直径

钢绞线由于其松弛度较低、强度与韧度高，运输安装便利，常被用作巷道支护悬吊材料。综合考虑巷道围岩土质、生产成本，选定锚索直径为22 mm。

2.1.6 锚索长度

锚索通常锚固在围岩深部坚硬岩层中，发挥深部围岩的承载作用。锚索长度l2通过式（3）得到：

式中：l21为锚索的锚固长度，m；l22为潜在的不稳定岩层高度，m；l23为锚索外露长度，m。

通过资料收集得到，锚固长度l21取值2.56 m，甘庄煤矿8 号煤层2307 工作面不稳定岩层高度l22取值4.6 m，锚索外露长度l23取值0.3 m。将数据代入式（3）得到锚索长度为7.46 m。结合巷道现有锚索长度，最终选定锚索长度为7.5 m[3]。

2.1.7 锚杆（索）锚固方式及安装角度

甘庄煤矿巷道内顶板锚杆的锚固采用加长锚固和全长锚固，帮部锚杆采用加长锚固。锚杆安装角度以垂直安装为主，其中，顶板锚固靠近巷帮的2 根锚杆和巷帮靠近顶板的2 根锚杆，均设定倾斜角10°。锚索的安装角度则全部垂直顶板安装。锚杆与锚索的使用均为树脂锚固剂，主用有K2335 和Z2360型号[4]。

2.2 支护质量监测

2.2.1 巷道表面位移监测

巷道内的监测点位共设置了三个，每个监测断面示意图如图2 所示，选取了巷道的顶板、底板与两帮中心作为测量基准点。数据测量周期为2 d/次，数据测量总次数25 次，共计用时50 d。

图2 巷道表面位移监测示意图

图3 为顶底板位移量折线图，图4 为两帮位移量折线图，综合分析可知：三个检测面的检测结果均在0～25 d 内出现形变较大，25～50 d 以后形变量趋于稳定的趋势。其中1～3 号的检测断面顶底板位移量最大值分别为140 mm、112 mm、108 mm，两帮位移量最大值为170 mm、145 mm、129 mm，各检测面的顶底板位移量、两帮位移量均在达到最大之后稳定，说明巷道支护未产生有害形变，支护方案效果良好。

图3 顶底板位移量折线图

图4 两帮位移量折线图

2.2.2 锚杆支护质量监测

锚杆支护质量的监测主要通过分析锚杆自由端与锚固段占比情况得出。本文选取了甘庄煤矿顶板中部与巷道帮中部各10 根锚杆作为监测对象，得到表1、下页表2 所示监测结果。

表1 中，巷道顶板的锚杆监测结果显示，10 根支护效果均为优良；表2 中，巷道帮中部的锚杆监测结果显示，1 根锚杆支护效果差，其余均为优良。综合分析可知，锚杆支护质量达到了生产要求，支护质量良好。

表1 顶板锚杆监测结果

表2 帮中部锚杆监测结果

2.2.3 锚索支护质量监测

对锚索支护质量监测主要通过观察锚索受力最大值与最小值得出。通过对巷道内随机挑选10 根锚索为研究对象，每2 d 测量1 次，共测量10 次，得到锚索受力最大值为346.52 kN，受力最小值为241.60 kN。结果证明，锚索锚固支护效果良好[5]。

3 应用效果

原有巷道掘进速度约275 m/月，通过支护方案优化后，现场监测结果表明，顶底板移近量最大为140 mm，两帮移近量最大为170 mm，巷道掘进速度达到320 m/月，掘进速度提升约17%。

4 结论

锚杆让压支护技术在甘庄煤矿8 号煤层2307 巷的有效应用，为锚杆支护的重点参数计算提供了理论依据，通过锚杆、锚索的合理布放，达到提升掘进速度的目的。主要结论如下：

1）基于高应力煤巷让压支护原理，结合经验公式、生产需要、现场实际综合分析，优化了锚杆支护参数和支护方式，给出了巷道支护方案；

2）经过测量点选择与实地取值获取现场数据，并经过数据分析得到了井下巷道掘进过程中锚杆、锚索受力参数，对今后的旧巷道维护、新巷道建设提供宝贵依据；

3）掘进速度由每月275 m 提升至320 m，助力企业日常生产与提质增收。