受二次動壓影響大斷面巷道強力錨桿支護技術

郜建國

（山西焦煤集團公司技術中心，山西 太原 030053）

受二次動壓影響大斷面巷道強力錨桿支護技術

郜建國

（山西焦煤集團公司技術中心，山西 太原 030053）

針對12211軌道順槽受相鄰工作面和本工作面的強烈采動影響，造成巷道圍巖變形、破壞嚴重的情況，結合現場實際條件，采用現場調查、工程類比、理論分析及礦山壓力觀測相結合的研究方法，應用強力錨桿、金屬網、鋼帶及錨索對巷道進行組合支護，有效地控制了巷道圍巖變形，實現了煤巷安全高效掘進，取得了顯著的技術經濟效益和社會效益。

二次動壓；大斷面巷道；強力錨桿；支護

屯蘭礦南二盤區受二次動壓影響的12211工作面運輸順槽，由于受到比較強烈的采動影響，造成巷道圍巖變形、破壞嚴重，需要多次維修與翻修，支護費用高，安全得不到保證。原巷道采用一般的錨桿支護技術已不能滿足安全、生產的要求。本文結合現場實際條件，采用現場調查、工程類比、理論分析及礦山壓力觀測相結合的研究方法，應用強力錨桿、金屬網、鋼帶及錨索對巷道進行組合支護，有效地控制了巷道圍巖變形，實現了煤巷安全高效掘進，取得了顯著的技術經濟效益和社會效益。

1 支護方案

1.1 巷道圍巖條件

巷道斷面特性：南二盤區12211工作面運輸順槽斷面形狀為矩形，凈寬4.2 m，凈高3.0 m，凈斷面積12.6m2。

圍巖條件：順槽布置在2號煤層中，沿煤頂掘進。該工作面內2號煤層與3號煤層合并，平均厚度為4.52m，普氏硬度f=2，煤層結構為3.11（0.67夾石）0.74m，夾石為泥巖。煤質為焦煤。煤層傾向南東，傾角1°～8°，平均傾角為3°。

煤層直接頂為灰色細砂巖，質較硬，普氏硬度f=5，穩定性差，屬復合頂板，厚度0～2.5m，偽頂為黑色泥巖，性脆，抗壓強度差，普氏硬度f=3，厚度為0.5 m。老頂為灰白色粉砂巖，硅質膠結，厚度為5.70m。

煤層直接底為深灰色砂質泥巖，厚度為0.85 m，普氏硬度f=3。老底為淺灰色粉砂巖與細砂巖互層，厚度為4.50m。

該工作面地質構造簡單，煤層整體呈一向南傾斜的向斜構造，向斜軸位于工作面中部，東翼傾角1°～8°，西翼傾角1°～5°。有兩個小型斷層，斷層落差分別為2.0m和2.5m，都為正斷層，對掘進和回采影響不大。

巷道沒有進行過原巖應力測量，但從井下實際情況分析，巷道壓力較大，特別是構造應力有可能占主導地位。此外，該巷道要受到兩次強烈的采動影響，動壓影響劇烈。

1.2 巷道錨桿支護初始設計

1.2.1 支護材料及施工機具

a.支護材料。巷道設計選用了強力錨桿系列材料，包括強力錨桿桿體和附件，低粘度、高強度樹脂錨固劑，強力W鋼帶。桿體為左旋無縱肋螺紋鋼筋，桿尾螺紋段采用滾壓工藝加工。

強力錨桿是指桿體破斷力在300 kN以上的錨桿。對于直徑22 mm的BHRB600型鋼筋，屈服力達235.6 kN，破斷力達311.6 kN；對于直徑25 mm的強力錨桿，屈服力達300 kN以上，破斷力達400 kN以上。

b.施工機具。巷道頂板采用MQT-120型氣動錨桿（索）鉆機打錨桿（索）孔及攪拌樹脂錨固劑卷；巷幫采用大扭矩氣動式鉆機打錨桿孔及攪拌樹脂錨固劑卷。錨桿預應力應達到桿體屈服強度的30%～50%。根據換算關系，錨桿的預擰緊力矩應達到300～600N·m，因此，選用了高預應力、強力錨桿支護配套的錨桿張拉器，額定張拉力達120kN，實現了高預應力。此外，由于錨索直徑和噸位的大幅度提高，要求施加的預緊力也明顯提高，選用了與強力錨索配套的錨索張拉設備。優選大扭矩預緊扳手，確定最大扭矩在3000～4000N·m的預緊扳手能夠滿足錨桿螺母安裝扭矩500～800N·m的需要。

1.2.2 錨桿支護初始設計

巷道原支護設計參數：頂板每排打設5根φ20×2 400 mm的錨桿，錨桿排距為900 mm；巷幫每排打設6根φ18×2 400 mm的錨桿。每1 800 m頂板布置三排錨索。頂板采用鋼筋托梁和金屬網護頂，巷幫采用塑料網護幫，并在采空區一側幫每1 800 mm打設一根錨索護幫，配合鋼筋托梁。

經計算及數值分析，確定屯蘭礦12211軌道順槽采用樹脂加長錨固強力錨桿錨索組合支護系統。

a.頂板支護。錨桿形式和規格：桿體為25號左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4 m，桿尾螺紋為M27；錨固方式：樹脂全長錨固，采用三支錨固劑，一支規格為K2835型，二支規格為Z2860型。鉆孔直徑為34 mm，錨固長度為1 200 mm；W鋼帶規格：W鋼帶寬度250 mm，厚度5 mm，長度3.8 m；托板：采用拱型高強度托盤，托板規格為150 mm×150 mm×12 mm；錨桿角度：靠近巷幫的頂板錨桿安設角度為與垂線成15°；網片規格：采用金屬網護頂；錨桿布置：錨桿排距1.0 m，每排4根錨桿，間距1.2 m；錨索：單根鋼絞線，φ17.8 mm，長度6.3 m，加長錨固，采用三支錨固劑，一支規格為K2335，兩支規格為Z2360。錨索每排1根，排距為2.0 m；錨索托板：采用規格為300mm×300mm×16mm的鋼板。

b.巷幫支護。錨桿形式和規格：桿體為22號左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.2 m，桿尾螺紋為M24；錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，一支規格為K2335型，另一支規格為Z2360型。鉆孔直徑為30 mm，錨固長度為1 200 mm；W鋼帶規格：W鋼帶寬度250 mm，厚度3 mm，長度2.6 m；錨桿角度：靠近頂底板的巷幫錨桿安設角度為與水平線成10°；網片規格：采用金屬網護幫；錨桿布置：錨桿排距1.0m，每排3根錨桿，間距1.2m。

2 井下施工和礦壓監測

2.1 井下施工工藝

施工工藝包括掘進和支護兩大部分。

掘進機掘進流程是：先從左上幫定位切割煤幫，直至底板。然后從左到右，從下向上切割破碎中間部分，再切割右幫，最后將巷道輪廓進行修整。

頂板支護的施工工藝流程為：掛鋼筋梯—臨時支護—鉆頂板中部錨桿孔、掛金屬網、清孔—安裝錨桿、擰緊螺母—鉆頂板中旁錨桿孔、清孔—安裝錨桿、擰緊螺母—臨時支護改位—鉆頂板邊錨桿孔、清孔—安裝錨桿、擰緊螺母—鉆頂板邊斜（角）錨桿孔、清孔—安裝錨桿、擰緊螺母。

兩幫的錨桿支護一般落后于工作面一定距離和破煤運煤平行作業，施工步驟與頂板支護基本相同。

2.2 礦壓觀測

從2005年9月～2007年10月在現場進行了巷道圍巖變形觀測。

a.監測內容。12211軌道順槽受相鄰工作面和本工作面的采動影響，圍巖應力集中，變形較嚴重。為了及時掌握并對比兩種支護形式下巷道的變形情況，在順槽內140m～900m之間共安設12組測站，每組測站包括一個在線頂板離層儀和一組表面位移測站。

b.監測結果。在巷道前700m，測得頂板下沉量在166～257mm之間，兩幫位移量在101～487mm之間，巷道頂板和兩幫都有較大變形；在巷道700 m往后，測得頂板下沉量在10～85 mm之間，兩幫位移量在73～106mm之間，巷道頂板和兩幫變形基本都在100mm左右，巷道保持穩定。

從以上礦壓觀測數據可以看出，高預緊力強力錨桿支護頂板不但控制了頂板的變形，還有效地控制了巷道兩幫的強烈變形。巷道兩幫收斂量在最大時為106mm，為巷道寬度的2.4%；在地質條件較好區段，巷道兩幫收斂量為73 mm，為巷道寬度的1.6%；而采用的普通高強錨桿支護頂板時，巷道兩幫收斂量在最大時為487 mm，為巷道寬度的10.8%；在地質條件較好的區段，巷道兩幫收斂為101 mm，為巷道寬度的2.3%。

3 技術經濟效益分析

3.1 技術效果

12211工作面軌道順槽采用北京開采所最新研制開發的高預緊力強力錨桿錨索支護系統，成功地對大斷面巷道進行了支護。在錨桿排距放大到1 000 mm，間距放大到1 200 mm的情況下，巷道頂板和兩幫變形量顯著減小，并處于穩定狀態，為工作面正常推進創造了非常有利的條件，取得了顯著的技術效果。

3.2 經濟效益

直接經濟效益包括巷道支護材料費用和巷道維護費用。采用高預緊力強力錨桿錨索支護系統，支護材料費用明顯低于原高強錨桿支護。同等條件下（巷道斷面規格及圍巖類別），錨桿支護材料費用一般可比原有錨桿支護材料費用低10%～20%。巷道斷面越大，高預緊力強力錨桿錨索支護系統的優越性越明顯。經計算原設計支護形式每米材料費為1 891.06元，而采用強力錨桿支護形式每米材料費為1865.08元，每米節約支護材料費用25.98元。巷道維修費用如按新掘支護材料費用的50%計算，維修費用則高達945.53元。然而，新的錨桿支護形式少打一根錨索，可提高巷道掘進速度；采用高預緊力強力錨桿錨索系統進行支護，巷道變形量非常小，在服務年限內基本不用維修。綜上所述，采用高預緊力強力錨桿每米巷道節省費用971.51元。

間接經濟效益主要體現在有利于礦井實現高產高效。煤巷采用高預緊力強力錨桿錨索支護系統后，不僅改善了工作面順槽支護狀況，避免了動壓條件下巷道維修，為礦井工作面快速推進創造了有利條件，減少了材料運輸量。巷道掘進速度仍保持在500m/月。工作面煤炭單產提高10%，年多產煤炭10余萬t。

4 結論

針對屯蘭煤礦強烈動壓巷道條件，提出高預應力、強力錨桿支護理論。其顯著的特點是大幅度提高錨桿支護的剛度與強度，采用高預應力、強力錨桿支護系統，實現一次支護就能有效控制圍巖變形與破壞，避免二次支護和巷道維修。設計的原則是一次支護原則，避免多次維修；高預應力和預應力擴散原則；“三高一低”原則（即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度）；臨界支護強度與剛度原則及相互匹配原則。是一種非常適合屯蘭煤礦強烈動壓條件下巷道圍巖條件的支護系統。

采用最新研制的支護材料。強力錨桿專用鋼材－左旋無縱筋螺紋鋼，并專門配鋼，達到超高強度級別。鋼的牌號BHRB600，屈服強度為620MPa，破斷強度為800MPa。達到合理科學的匹配。同時，使用了φ18.6 mm的強力錨索及其配套的施工設備，其中錨索的破斷力可達40t，延伸率可達4.5%。

井下試驗證明，高預應力、強力錨桿錨索支護系統控制圍巖變形能力強，在臨近采空區還沒有穩定的情況下掘進巷道，有效地控制了圍巖強烈變形，巷道兩幫收斂量控制在300 mm以內，為巷道寬度的6.7%左右。同時頂板總離層量控制在50 mm以內，支護效果理想；而采用普通高強錨桿支護頂板時，巷道兩幫收斂量在最大時為487 mm，為巷道寬度的10.8%。

Abstract:No.12211 track transportation tunnel suffers the severe mining effects from its own and its adjacent working faces,so deformation of surrounding rocks and severe destruction are caused.On the basis of actual condition,the study adopts comprehensive research methods,including:field survey,engineering analogy,theoretical analysis and pressure observing.The integrated supporting with strength bolt,metallic mesh,steel strips and cables effectively controls the deformation,realizes the efficient driving,and gains prominent technical,economical and social benefits.

Keywords:secondary dynamic pressure;large-section roadway;strength bolt;supporting

編輯：劉新光

Strength Bolt Supporting Technology in Large-section Roadway under the Secondary Dynamic Pressure

GAO Jian-guo

（Technology Center of Shanxi Coking Coal Group,Taiyuan Shanxi 030053,China）

TD672

A

1672-5050（2010）06-0061-03

2010-03-16

郜建國（1963—），男，山西長治人，采煤工程師，從事煤礦支護技術研究及技術管理工作。