錨索聯合支護在煤層巷道的應用

李育新

山西朔州市煤炭設計研究院，山西朔州 036800

朔州市興陶煤礦103采區運輸、軌道上山為全煤巷道，布置在石炭二疊紀太原組4#層中，直達礦井北部邊界，分別與主運大巷、主回風大巷相連，單巷長度1 300m，其中運輸上山沿底板布置，軌道上山沿頂板布置，巷道斷面4×4m，2009年11月103采區形成生產能力，目前巷道斷面縮小，長度為3.69m，高度為3.58m，巷道斷面較原巷道斷面縮小17%。巷道底板鼓起，皮帶輸送機機架嚴重變形，無法正常運轉。

表1 煤層特征表

1 全煤巷道圍巖變形破壞特點

通過對頂、底板位移量的觀察，頂板離層下降、底板鼓起，巷道兩幫片幫嚴重。表明：1）在各種斷面形狀的巷道中，圓形和橢圓形巷道的應力集中系數最低；2）巷道平直周邊上容易出現拉應力，所以平直周邊往往比曲線周邊容易破壞；3）巷道周邊的拐角處存在很大的剪應力；4）巷道斷面的高寬比對圍巖應力分布有很大影響。重力應力（垂直應力）向巷道兩側偏移，使巷道兩幫向里移動，并發片幫現象，水平應力向頂、底板轉移，引起頂板離層下降和底板鼓起，使頂、底板位移加大。

2 應力集中效應顯現

朔州市興陶煤礦103采區的運輸、軌道上山全煤巷道，為Ⅳ～Ⅴ類煤巷巷道。1）在巷道掘進階段，巷道的掘進破壞了原巖應力的平衡狀態，引起了圍巖應力重新分布，表現為圍巖立即產生移動和變形；2）無采掘影響階段，這個階段的圍巖移動主要是由于圍巖在塑性狀態下的流變所引起，即變形量是時間的函數；3）采動影響階段，當采煤工作面接近該區域時，由于工作面前方及采空區兩側支承壓力的影響，使圍巖應力再次重新分布；4）采動影響穩定階段，這是巷道圍巖經受一次采動影響后重新進入相對穩定階段，固其圍巖移動特征基本上與無采掘影響階段類似；5）二次采動影響階段。處于采動影響穩定階段的巷道，在下區段回采時，此巷道又將受另一工作面開采支承壓力的影響，從而引起圍巖的進一步失穩與移動。

3 支護機理分析及試驗方案

2010 年初，朔州市煤炭設計研究院受礦方委托，進行巷道維護試驗，根據興陶礦頂、底板巖層條件，確定采用錨索、錨桿聯合組合支護，即全長樹脂錨固的高強度螺紋鋼錨桿＋金屬網＋W型鋼帶＋樹脂錨固小孔徑預應力錨索。高強錨桿以加固作用為主，使其錨固范圍內的頂煤形成“錨固平衡拱”；錨索以懸吊作用為主，把潛在冒落范圍內的頂煤懸吊在上部比較穩定的頂板巖層上，加大“錨固平衡拱”厚度，阻止頂煤下沉及冒落。使錨桿支護的三種理論：懸吊理論、組合梁和加固成型拱理論有機結合。煤幫錨桿采用18mm金屬錨桿。錨桿間距1.2m，錨索間距1.5m，排距1.0m，呈五花眼布置。首先從采區下部車場開始，沿巷道中線擴幫至4m，沿巷道腰線及原底板傾角8°起底清理底板，挑頂，到原巷道高度4m，每清理1.2m立即補上錨桿，每清理1.5m立即打上錨索。巷道兩幫錨桿間距1.2m，錨索間距1.5m，排距1.0m，呈五花眼布置。

4 全煤巷道錨桿錨索聯合支護機理研究

隨著我院錨桿錨索支護的深入研究表明，其懸吊理論、組合梁和加固成型拱理論，無法對全煤巷道支護提供理論支持，特別是錨桿支護對于提高圍巖（特別是松散圍巖）自身的最大承載能力沒有明顯效果。全煤巷道的關鍵技術主要是治頂，只要維持頂煤的穩定，就能保證巷道圍巖的基本穩定。而全長錨索錨桿的作用就是通過對其錨固長度范圍內的煤體提供軸向和橫向約束，可有效地阻止煤塊體之間的相互錯動，防止錨固體的松散變形，保持錨固體的整體性，從而提高頂煤的承載能力和穩定性。

103 采區上山巷道頂板為層狀巖層或松散煤體，需采取錨桿錨索聯合支護方式，用金屬網及W型鋼帶把錨桿聯結起來，從而對頂煤起到整體加固作用。此外，由于頂煤與巖層界面上容易產生離層現象，導致頂煤下沉，當錨固體不能承受頂板壓力時，甚至會造成頂板冒落。在這種條件下，最有效的方法就是采用錨索進行補強加固。錨索的錨固深度大，承載能力高，并可施加100kN以上的預緊力，因此可以有效地增加關鍵承載環的厚度，起到防止頂煤破壞冒落的作用。

5 結論

經過6個月的緊張施工，103采區的運輸、軌道上山巷道頂幫全部完成，從2010年7月開始到2011年3月，進行連續實時監測，煤體的整體性和穩定性較好，頂煤平均下沉量度為22.0mm，兩幫相對移近量平均17.5mm，巷道斷面平均收縮率僅為2.5%。采用錨桿錨索聯合支護全煤巷道，極大地控制了巷道圍巖的變形與破壞，保持了巷道圍巖的整體性和穩定性，保證了103采區的運輸、軌道上山巷道在整個服務期間內不進行任何維修，同時將錨桿錨索聯合支護運用到綜采工作面得運輸、回風平巷，使端頭支架的超前支護拆棚、替棚維護工序大為簡化，改善了工人的勞動強度和作業環境，為103采區實現穩產、高產創造了有利條件。

通過礦壓連續實時監測，錨桿錨索聯合支護在全煤巷道中，可以經受回采時，動壓對圍巖影響，保持巷道不受破壞。

全煤巷道采用錨桿錨索聯合支護技術，不但具有顯著的技術成果，而且具有明顯的經濟效益，與傳統的工字鋼梯形支護費用相比較，每米巷道可節約92元，整個工程共減少成本24萬元。

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