晋华宫矿煤巷锚杆支护优化研究

孔宪法

【摘 要】 晋华宫矿部分巷道中的锚杆支护强度过大，造成材料浪费与成本升高等问题。本文以晋华宫矿307西翼盘区皮带巷为对象，通过对其支護方案前后的矿压显现特征进行系统研究，发现采用优化后的支护方案时，巷道围岩表面移进量、顶板离层与锚杆索受力等基本无变化。说明该皮带巷的顶锚杆排距可由1000mm增至1200mm，帮锚杆排距由1500mm增至2000mm，并且可节约支护成本149995元。研究成果可对相似条件下的巷道支护参数的选取具有借鉴意义。

【关键词】 晋华宫矿;支护优化;顶板离层;锚杆受力;表面收敛

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）04-0023-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

近年来，锚杆支护技术在煤矿中应用广泛。但是很多煤矿在支护参数的选取上多是照猫画虎，选取不合理，从而出现两种情况：一种是支护参数提供的强度不够，造成顶板出现网兜或离层，导致冒顶或片帮等事故;另一种是支护强度过高而引起的“大牛拉小车”的现象，即不能充分发挥锚杆作用，造成材料浪费和成本升高等问题。国内外学者的研究多集中在前者，而对后者的研究很少。

本文以晋华宫矿为背景，通过对307西翼皮带巷进行矿压观测，对比分析了支护参数优化前后的锚杆受力、顶板离层与表面收敛等特征的变化，计算了经济效益。研究结果对相似条件下的巷道支护参数的选取具有借鉴意义。

307盘区西翼皮带巷宽5m，高3.3m，断面积16.5m2，巷道位于矿井河北西翼307盘区内，11号煤层赋存稳定，结构简单，煤层南部较薄，北部厚（2.20m～4.55m），平均煤层厚度3.3m，煤层倾角1.5°～4.5°，平均倾角3°，总体为一单斜构造，走向北东，倾向南东。直接顶为炭质泥岩，厚3.3m，老顶为粗砂岩和细砂岩，厚度依次为2.2m和3.3m，直接底为细砂岩，厚8.2m。

1晋华宫矿307西翼盘区皮带巷矿压显现特征

1.1矿压观测方案

对晋华宫矿307西翼盘区皮带巷实施矿压观测，观测内容主要有三个方面：

表面收敛监测：采用十字布点法监测巷道顶底相对位移量和两帮相对位移量，分别在顶底板和两帮的中心用木楔标记个基点。沿着巷道轴向布置两个测站，间距30m。每天记录顶底相对位移量和两帮相对位移量。

顶板离层监测：在巷道中心顶板处安装离层仪，安装时需在钻孔内布置两个测点：顶部离层仪深部测点为8m，浅部测点为2.5m，每天记录巷道顶板离层值和监测时间，顶板离层仪安装钻孔要求30mm。

锚杆锚索测力监测：在巷道顶板中部安装一个测力锚杆，同时在顶板的锚杆（索）位置、两帮的锚杆位置分别安装锚杆（索）测力计，记录整个断面上的锚杆受力情况。

1.2矿压显现特征

从2018年5月9日至2018年5月18日对监测点进行为期10天的矿压监测统计。图1标示出监测的锚杆锚索受力特征、顶板离层情况和表面收敛情况等随时间的变化曲线。

由图1（a）可知，锚杆的受力初始值为1.2t，随着时间的延长锚杆受力缓慢增加，到第六、七天时锚杆受力明显减小至0.82t，之后又缓慢增加至1.55t，并维持不变。锚索的受力初始值为3.1t，随着时间的延长锚索受力缓慢增加至3.4t，然后维持不变。

由图1（b）可知，顶板离层仪的浅部基点基本无离层，而深部基点在第六天时发生离层0.1mm，然后维持不变。

由图1（c）可知，随着时间的延长，皮带巷的围岩变形量逐渐增大，顶底板移进量在第八天时增至11mm，两帮移进量增至8mm。该数据很小，可认为皮带巷的围岩没有变形。

由锚杆索的出厂数据可知，直径18mm的锚杆破断载荷为9.66t，直径15.24mm的锚索破断载荷>24t，结合监测数据可知，锚杆和锚索的受力值不足其破断载荷的20%，受力很小，说明此时的支护方案的设计值过于保守，并且顶板几乎没有离层。因此，完全可以减小顶板的支护强度，这样也可以减少支护成本。

2 307西翼盘区皮带巷支护方案优化

2.1设计依据

由现场矿压监测数据可知，皮带巷围岩的表面变形和深部离层几乎没有，锚杆索受力只有破断载荷的1/5。从井下观察可知，顶板破碎或裂隙较少，两帮煤也比较完整，无片帮。这些现象与数据为皮带巷的支护优化设计奠定了基础。基于监测数据，可适当降低顶板锚杆和两帮的支护强度。

2.2巷道优化支护方案设计

对皮带巷的支护方案作如下调整：顶锚杆的排距由之前的1000mm增至1200mm，间距不变，仍为1000mm;帮锚杆排距由之前的1500mm增至2000mm，间距不变，仍为1300mm。

3优化支护区域矿压显现特征

优化支护段的矿压观测站布置见图2，具体为第一个测站布置在改进支护方案后50m处，第二个测站之间距离为50m。

改进支护段的矿压监测内容仍然是围岩变形量、顶板离层量与锚杆索受力情况。监测日期为2018年6月15日至2018年6月24日，为期10天，每天监测一次。图3示出锚杆索受力、顶板离层与围岩变形等特征随时间变化的曲线。

由图3（a）可知，皮带巷支护优化后顶板的锚杆受力初始值为1.73t，随着时间的延长锚杆受力缓慢增至1.89t，然后保持不变。而优化后的顶板锚索受力初始值为1.98t，随着时间的延长锚索受力缓慢增至2.31t，然后保持不变。皮带巷支护优化后两帮的锚杆受力初始值为0.67t，随着时间的延长逐步增加，至第六、七天时锚杆受力增至1.12t，然后保持不变。

由图3（b）可知，皮带巷浅部和深部的测点离层基本相同，均是安装后的第两天离层值增为2mm，然后保持不变，待第六、七天离层值又增值5mm，然后维持不变。

由图3（c）可知，皮带巷的顶底板移近量变化较大，在2～3天时增至10mm，待6～7天時又增加至30mm，而两帮移进量基本不变。

对比支护方案优化前后皮带巷的矿压显现特征，可知，优化后的锚杆和锚索受力较原支护变化不大，顶板离层值和表面收敛值较原来支护略有增加，但仍属于合理范围，巷道稳定较好。通过反复的矿压观测，最终确定进行优化设计锚杆间排距。

4经济效益及推广应用前景

选取晋华宫矿11#煤层307盘区皮带巷6m范围内的巷道进行统计，分别对比原支护方案和优化支护方案下巷道支护材料的消耗情况。原支护方式为：顶锚杆间排距为1000mm×1000mm;锚索排距为3m，帮锚杆间排距为1300mm×1500mm;优化支护方式为：顶锚杆间排距为1000mm×1200mm;锚索排距为3m，帮锚杆间排距为1300mm×2000mm。

通过统计可知，6m巷道共节省支护材料费用为372元，即每米可节省支护材料费用62元，通过统计7月份机掘一区在11#煤层的支护费用总额是88727元，月进尺为280m，每米支护费用为316.7元。采用优化支护方案后，支护费用可节省19.5%。另外，按煤矿井下打一个锚杆眼人工费包括打钻眼费用和安装锚杆费用，按200元计算，其6米内共省下6个锚杆钻眼，共节省成本1200元。

综上所述，6m巷道共节省综合成本372+1200=1572元，即节省综合支护成本为262元/m。计算得7月份机掘一区在11#煤层的支护费用共计节约成本149995元。

5结论

晋华宫矿部分巷道中的锚杆支护强度过大，造成材料浪费与成本升高等问题。本文以晋华宫矿307西翼盘区皮带巷为对象，通过对其支护方案前后的矿压显现特征进行系统研究，发现采用优化后的支护方案时，巷道围岩表面移进量、顶板离层与锚杆索受力等基本无变化。说明该皮带巷的顶锚杆排距可由1000mm增至1200mm，帮锚杆排距由1500mm增至2000mm，并且可节约支护成本149995元。研究成果可对相似条件下的巷道支护参数的选取具有借鉴意义。

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