基于恒阻大锚索的井下综采支护工艺优化研究

赵惠东

（阳泉市燕龛煤炭有限责任公司， 山西 阳泉 045011）

引言

随着煤矿井下综采作业深度的不断增加，巷道井下地质条件日趋复杂，在综采作业过程中面临着高应力、高地压冲击的影响，根据研究，综采作业深度每增加100 mm，巷道在受力作用下的变形量和变形速度将增加15%。传统的以锚杆为核心的支护方案虽然结构简单、施工灵活性高、支护效率高，但其存在着支护强度偏低，经常出现锚杆无法适应井下围岩大变形而导致的被拉断现象，无法适应深部巷道围岩非线性变化大的支护特性[1]。

根据巷道围岩受力情况下的变形特质，本文在对恒阻大锚索工作原理进行分析的基础上，提出了一种基于恒阻大锚索的井下综采支护工艺，对支护布置结构、支护参数选择等进行了分析，根据在煤矿井下的实际应用表明，新的支护方案能够将巷道顶板下沉量降低52.1%以上，对确保井下巷道支护稳定性，提高井下支护安全和效率具有十分重要的意义。

1 恒阻大锚索变形机理

恒阻大锚索是近年来出现的一种具有一定伸缩量的支护结构，其主要包括了恒阻器、托盘、钢绞线等，恒阻器设置在钢绞线的尾部，然后外侧套有套管和锁具，其整体结构如图1 所示[2]。

图1 恒阻大锚索结构示意图

恒阻大锚索在工作时的恒阻力主要是来源于恒阻体在进行滑移时和套筒之间的摩擦力，在支护过程中，围岩变形量超过恒阻器原先的支护范围后，变形力会作用在钢绞线上，然后钢绞线就拉动着恒阻体沿着受力方向滑动，在滑动过程中逐渐地吸收围岩变形的张力，从而保证在支护过程中能够适应围岩更大程度的变形。

在恒阻大锚索支护的过程中，受力不断发生变化。恒阻大锚索的支护过程可分为三个阶段，每个阶段具有不同的支护形态和受力，恒阻大锚索的工作原理如图 2 所示[3]。

图2 恒阻大锚索支护原理示意图

在支护时的第一阶段，围岩变形量较小，作用在恒阻大锚索钢绞线上的拉力没有超过恒阻器所设定的恒阻值，因此钢绞线通过自身产生的拉伸变形即可适应井下巷道围岩的变形，从而保证围岩的稳定性。

在支护时的第二阶段，围岩的变形量逐渐增加，作用在钢绞线上的拉力超过了恒阻器的恒阻值，恒阻器尾部的恒阻体在拉力的作用下沿着套筒滑移，在移动的过程中恒阻体和套筒之间一直保持着恒定的摩擦力，在此阶段，恒阻器主要是通过自身结构的变形来适应井下围岩的变化，吸收围岩变形时的能量，保持围岩的稳定性。

在支护时的第三阶段，恒阻器的钢绞线弹性变形及恒阻器的结构改变所产生的力和围岩变形产生的力相平衡，作用在钢绞线上的拉力不再增加，围岩达到平衡状态，实现了对井下巷道围岩受力变形的可靠支护。

2 恒阻大锚索的选择

以井下巷道综采面为例，井下巷道的深度为667 m；综采面的煤层平均厚度为4.8 m；直接顶为泥岩，其平均厚度为3.72 m；老顶为细沙岩，其平均厚度为3.7 m；采用了切顶卸压沿空留巷结构。井下巷道断面为斜矩形断面，尺寸规格为2.8 m×4.2 m，采用了锚梁网索联合支护结构[4]，在巷道顶板断面内设置了6 组锚杆和3 组锚索，在巷道刷帮后又增加了2 组高强度锚杆支护，整体支护结构相对简单。在实际综采作业过程中由于井下巷道矿压波动较大，因此导致围岩变形大，锚杆受力破坏率达到了35.2%，巷道顶板的最大下沉量达到了358 mm，严重影响了井下巷道的综采安全性。

为了满足井下支护安全性的需求，选择了一款HWL-2000 型恒阻大锚索[5]，该锚索的长度为1.5 m，直径为21.8 m，对该锚索进行拉力—位移试验，其拉力和位移的关系如图3 所示。

图3 恒阻大锚索拉力-位移变形示意图

由图3 可知，该恒阻锚索的平均拉伸力为352 kN，可以认为当作用在恒阻锚索上的力小于352 kN时，恒阻锚索的受力变形为弹性变形；当作用在恒阻锚索上的力大于352 kN 时，其受力变形为塑性变形。恒阻大锚索在受力时的最大变形量为405 mm，大于巷道围岩最大358 mm 的变形量，因此满足大深度巷道的变形支护需求。

3 恒阻大锚索变形支护方案

为了满足井下巷道支护需求，保证巷道在切顶卸压和来压期间的稳定性，采用恒阻大锚索替代传统的锚索对巷道进行补强加固。锚索布置时选择在垂直于巷道顶板的方向布置[6]，共设置3 组，第一组在距离巷道切缝为0.5 m 的位置，第二组在距离切缝约1.5 m的位置，第三组设置在副帮侧，距离巷道的中心位置1.1 m 处。为了进一步提高支护的稳定性，各个锚索采用加强钢筋相连接，其井下支护结构如图4 所示。

图4 井下巷道补强支护结构示意图（单位：mm）

采用恒阻大锚索补强支护完成后，在巷道内设置了围岩变形量监测装置，对综采作业过程中的巷道围岩变形情况及锚索的工作阻力变化情况进行监测，结果如图5 所示。

图5 恒阻大锚索支护巷道围岩变形监测结果

由图5-1 可知，在综采作业的过程中恒阻大锚索的受力值先稳定不变，随着巷道围岩变形量的增加其受力值逐渐增大，最后其平均工作阻力维持到327.6kN。由于该恒阻锚索的恒阻值为30±3 t，因此可知，当恒阻大锚索的受力达到工作阻力后，能够通过对恒阻器结构的自动调整来满足围岩的变形，保持支护的稳定性。

通过对监测点处顶板下沉量的分析，采用新的恒阻大锚索支护后，巷道顶板的平均下沉量约为171.4 mm，比优化前的358 mm 降低了52.1%，对提升井下巷道围岩的稳定性和可靠性具有十分重要的意义。

4 结论

1）恒阻大锚索在工作时的恒阻力主要是来源于恒阻体在进行滑移时和套筒之间的摩擦力，在滑动过程中逐渐地吸收围岩变形的张力，从而保证在支护过程中能够适应围岩更大程度的变形。

2）基于恒阻大锚索的井下补强支护方案，能够将巷道顶板下沉量降低52.1%以上，对提升煤矿井下巷道围岩的稳定性和可靠性具有十分重要的意义。