錨桿錨索聯合支護技術在大斷面全煤巷的應用

馬洪軍，孫德寧，劉 海

(1．東辰煤炭有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300;2．內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014010)

唐公塔煤礦位于內蒙古自治區準格爾煤田北部，礦井設計生產能力600萬t/a，現已經在6#煤層中布置400萬t/a的綜放工作面，為在6上－2煤層中再布置一個年產200萬t/a的綜采工作面，掘進6上－2輔運大巷，設計總長度為 1 832．08 m，巷道方位角 24°，與6上－2回風大巷夾角92°。作為 6上－2煤層綜采工作面回采準備道，用于運輸、行人、通風，設計年限10年。工作面上方地表高低起伏，整體呈北高南低、東高西低狀態;西側有一條溝壑，走向與工作面走向大體一致，標高1 127～1 230 m，屬于典型的黃土高原地貌。鄰區：6上－2層輔運大巷在6上－2回風大巷掘進前進方向右側，6上－2輔運大巷前進方向左側為井田邊界，與官板烏素煤礦相鄰，掘進施工過程中要重視探放水工作。右側為6上－2皮帶大巷，對施工無影響。6上－2輔運大巷，巷道斷面大，沿煤層底板掘進，為全煤巷道，巷道易變形。加之作為行人巷，安全系數要求更高，對巷道支護提出了新的要求。根據該礦地質特點，提出錨桿、錨索聯合支護，解決了大斷面全煤巷的支護問題，保證了礦井的安全生產。

1 錨桿錨索聯合支護的作用原理

1．1 懸吊理論

懸吊理論認為：向巷道頂板中打錨桿，能夠使巷道頂板中的不穩定巖層懸吊在上部穩定堅固巖層中，不穩定巖層不至于冒落，見圖1(a)。在軟弱巖層中，向巷道頂板中打錨桿，能使頂板中的破碎巖石懸吊在軟弱巖層上部形成的自然平衡拱上，保證了下部軟弱巖層的穩定性，見圖1(b)。

圖1 錨桿懸吊作用原理示意圖

1．2 組合梁理論

組合梁理論認為：1)向巷道頂板中打錨桿，通過施加預緊力，錨桿錨固各巖層，增加了巖層間的接觸壓力，防止巖層出現離層，錯位。2)打入巖層中的錨桿增加了巖層的抗剪強度，防止巖層水平移動，使錨桿作用范圍內的幾個巖層錨固成一層較厚的組合梁。在上覆巖層荷載作用下，組合梁最大彎曲應變和應力大大減小，撓度也大大減小，而且組合梁越厚，組合梁內的最大應力、應變和撓度也越小，見圖2。

圖2 疊合梁與組合梁的內力比較

1．3 組合拱理論

組合拱理論認為：向頂板巖體中打預應力錨桿，由于巖體具有彈性，在巖體內能形成錐形體壓縮區，見圖3(a)。因此，如將錨桿沿巷道周邊按一定間距縱向排列，當圍巖受壓發生變形時，打入巖體內的錨桿對其作用范圍內的巖體作用壓應力，在每根錨桿作用范圍內形成的錐形體壓縮區彼此重疊連接，形成均勻的連續壓縮帶，見圖3(b)。這個能保持自身穩定，承受地壓，阻止巖體移動和變形的壓縮帶，簡稱擠壓加固拱。

圖3 錨桿的擠壓加固拱

錨桿一方面在錐形體壓縮區內產生壓應力，通過增加節理裂隙面或巖塊間的摩擦力，增大了巖體的黏結力，防止巖塊運動和位移，增大了破碎巖體的強度;另一方面，周圍圍巖應力狀態因錨桿產生的壓應力而得到改善，進而使巖體強度增大，即擠壓加固拱力學特性。但擠壓加固拱理論只是將支護力簡單相加，沒有考慮支護與圍巖的作用關系，按擠壓加固拱理論計算，數據往往與實際情況相差很大，一般不能做為準確的定量設計。但可作為錨桿設計和施工當中的重要參考。

1．4 錨桿錨索聯合支護原理

1)錨桿—錨索聯合支護的加固原理。當錨桿和錨索同時安裝在圍巖中，對圍巖有共同的加固作用。錨索具有工程延伸量小的優點，圍巖在其變形范圍內產生的松動破壞區也就小。所以，錨桿和錨索均以加固對圍巖起加固作用為主，共同增大錨固支護體的承載能力，進而使圍巖保持穩定。

2)錨桿—錨索聯合支護的互補原理。開挖巷道早期，圍巖破壞小，加上錨桿的加固作用，錨固支護體承載能力較高，圍巖在一定變形范圍內可以保持自身的穩定。隨著時間推移，圍巖變形量逐漸增大，錨固支護體的承載能力和自穩性下降，同時圍巖內部集中應力移往深部，圍巖變形趨于穩定。在錨固支護體失穩前，通過錨索的懸吊作用，保持它和圍巖的穩定。

2 巷道支護設計與優化

6上－2輔運大巷斷面為矩形，寬度5．4 m，高度3．7 m，面積19．98 m2，巷道類別為準備巷道。其支護形式為：錨桿+網+鋼帶+錨索+噴砼。其地質情況見圖4。

圖4 6上－2輔運大巷煤層綜合柱狀圖

2．1 預應力錨桿支護參數優化

1)按懸吊理論計算。

a)錨桿長度：

式中：

L—錨桿長度，m;

L1—錨桿外露長度，m，取0．10;

L2—錨桿有效長度，不小于不穩定巖層厚度，m;

L3—錨桿錨固長度，m，端部錨固取0．4。

b)錨桿錨固力與直徑。

經拉拔實驗測定，綜合比較，取80。式中：

Q—錨桿錨固力;

K—安全系數，取2．0;

a1、a2—錨桿間、排距，m 取 1．1、1．2;

γ—不穩定巖層平均重力密度，kN/m3，取25。取18 mm。

式中：

d—錨桿直徑，mm;

σt—桿體材料的抗拉強度，MP，取400。

c)錨桿間、排距。

式中：

K—錨桿安全系數，取2．0。

錨桿間、排距取1．1 m、1．2 m。

2)按擠壓加固拱理論計算錨桿參數。

擠壓加固拱理論不要求錨桿一定伸入堅固巖層中。但錨桿長度和間距必須滿足一定關系，才能形成有效厚度的擠壓加固拱，以支承地壓。按照擠壓加固拱理論，有下式：

式中：

b—加固拱厚度，m;

L—錨桿的有效長度，m;

α—錨桿在松散體中的控制角;

a—錨桿的間距，m。

按錨桿的控制角45°計算有：

b=L－a=2 －1．1=0．9 m，加固拱厚度為 0．9 m。相當于3層混凝土碹的厚度。

6上－2輔運大巷頂錨桿采用d18×2 000等強螺紋鋼，錨固力/根≥80 kN，預緊扭矩≥200 N·m，間距1 100 mm，排距1 200 mm，符合計算要求。

3)錨固參數。錨固劑直徑應與鉆孔直徑和錨桿直徑相匹配。按照使錨固劑能夠順利安裝在鉆孔中，同時錨桿體又能充分攪拌錨固劑的原則，一般來講，錨固劑直徑要比鉆孔直徑小3～5 mm。錨固長度主要分為端部錨固、加長錨固和全長錨固。端部錨固：錨桿錨固長度L≤500 mm或L≤鉆孔長度的1/3;全長錨固：錨桿錨固長度≥鉆孔長度的90%;加長錨固：端部錨固長度≤錨桿錨固長度≤全長錨固長度。

6上－2輔運大巷頂板鉆孔直徑d27 mm，按照上述原則，采用端部錨固，采用CK2350樹脂錨固劑，它是直徑為23 mm，長度為50 cm的超快樹脂錨固劑。

4)錨桿施工工藝。錨桿眼打完后，清凈眼孔內的巖粉積水，裝入2支樹脂錨固劑，用錨桿將藥卷送到眼底，在錨桿外端套上錨桿連接器，用錨桿機或風煤鉆推進錨桿，并攪拌樹脂錨固劑，攪拌時間不少于20～30 s，20 min后將錨桿的螺帽擰緊。打錨桿應由外向里，先頂后幫，頂部錨桿由正中開始，分別向兩邊進行，并做到打一注一，頂板錨桿用MQT－70C型錨桿鉆機鉆眼并安裝，幫部錨桿用風煤鉆安裝。

2．2 小孔徑預應力錨索支護

預應力錨索主動支護是煤巷支護技術中的一項重大改革。由于它能夠打入到巖體深部，可將下部較厚的不穩定巖層錨固在上部穩定的巖層中;而且通過施加預應力，變被動支護為主動支護，是煤巷支護中配合錨桿支護的必備措施。

1)錨索參數計算。錨索的作用主要表現在它是將頂板下部不穩定巖層懸吊在上部穩定巖層中，因此按懸吊理論計算，按最危險的極限狀態計算，即錨索懸吊頂板下部巖層的重量，同時依據巖層的強度、裂隙、錨桿支護參數等考慮巖層自身承載能力，綜合計算得：錨索長度取 6．2 m，直徑 17．8 mm，錨固力160 kN。

2)錨索索體選用。小孔徑樹脂錨固力錨索，索體為鋼絞線。鋼絞線由一組鋼絲以螺旋狀沿同一縱軸繞轉組成，目前7股d5 mm鋼絞線應用最為廣泛。常用鋼絞線性能指標見表1。

表1 常用鋼絞線力學參數

6上－2輔運大巷采用 d17．8 ×6 200 鋼絞線，排距3 600 mm，錨 固 力/根 ≥ 160 kN，預 緊 扭 距 ≥100 N·m。

3 支護工序

頂錨桿施工：安全準備→確定中心錨桿孔位→打定位錨桿到預定深度→退出釬桿→架設鋼帶→裝填錨固劑→裝錨桿→安聯接手→攪拌藥卷30 s→凝固不少于40 s→卸掉聯接手→擰緊螺母→按鋼帶孔位依次施工剩余錨桿。

幫錨桿施工：安全準備→兩幫刷齊、找平→確定孔位→打錨桿眼到預定深度→退出釬桿→掃眼→裝入錨固劑→裝錨桿→安聯接手→攪拌藥卷30 s→凝固不少于40 s→卸掉聯接手→安托盤→擰緊螺母。

打錨索施工：安全準備→確定孔位→用套釬鉆眼到指定深度→退出釬桿→裝填錨固劑→裝錨索→安聯接手→攪拌藥卷30 s→卸掉聯接手→凝固時間不少于10 min→用千斤頂緊固鎖具。

安裝錨桿、錨索前，應檢查錨桿眼的質量、深度、角度均要符合設計要求，如不符合要求時，必須重新施工。裝填錨固劑順序要正確，注錨索時先裝CK2350錨固劑后裝M2350錨固劑，禁止使用不合格的錨桿和錨固劑。攪拌錨固劑時，將錨桿均勻推到孔底，中間不得停頓，必須嚴格按攪拌時間攪拌。巷道斷面示意圖見圖5。

圖5 巷道斷面示意圖

4 支護情況

唐公塔煤礦6上－2輔運大巷，自2010年6月掘進以來，在近一年時間里，頂板最大下沉量100 mm，見圖6。盡管由于錨索錨桿的大量使用，原材料成本高，但相較于其它支護方式，巷道施工成本降低，巷道變形量小，維修少，維修費用低。未發生冒頂、錨索拉斷事故，安全系數高。

圖6 豎向位移與時間變化曲線圖

5 結語

唐公塔煤礦6上－2輔運大巷，屬全煤巷道。由于巷道頂部及兩幫均為煤體，煤的強度低，節理發育，煤體的穩定性差，掘進迎頭容易出現冒頂、片幫，加之巷道寬度達到5．4 m，高度3．7 m，屬大斷面，給支護工作帶來困難。通過采用以錨桿錨索為主的聯合支護方法，成功解決了主要大巷開掘在煤巷中的支護問題，保證了礦井的安全高產高效，同時也為國內其它礦井的大斷面煤巷支護工作提供借鑒經驗。

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