不同支護形式下深部巷道支護對比試驗研究＊

張斌川 盧 輝 劉 路 盧志江 保天才 李煒強 王福利

（中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

深部巷道在構造應力和采動應力影響下，圍巖變形破壞機理十分復雜，巷道支護形式不合理或支護不匹配，導致支護效果差。而現有的錨桿支護材料大都強度低、剛度低、預應力低和初期錨固力小，不能有效控制圍巖變形發展。因此，對不同支護形式下的巷道支護進行對比試驗研究有助于逐漸認識巷道變形破壞機理，控制巷道圍巖變形和改善巷道支護效果。

本文以協莊礦1202E 運輸巷為背景，針對現有巷道支護現狀，通過現場工業試驗，對全螺紋鋼錨桿支護、淮北高強錨桿支護和高預緊力強力錨桿支護3 種支護形式在協莊礦1202E 運輸巷進行對比試驗研究，并對巷道支護效果進行分析，為合理確定巷道支護形式提供依據。

1 地質概況

協莊礦1202E 運輸巷位于新汶礦區，埋深1047m。該巷道沿2＃煤層頂板掘進，巷道斷面形狀為梯形。該區域內2＃煤層走向80°～90°，平均厚度2.4m，厚度穩定，煤巖成分以半亮煤為主，硬度系數 為2～3，煤層傾角20°～26°，巷道巖層分布及巖性特征見表1。在該巷道內采用水壓致裂地應力測量方法進行了地應力測量。測量結果表明，該處最大水平主應力為34.6 MPa，方向為N12.5°E；最小水平主應力為17.89 MPa，垂直主應力為30.48 MPa。

表1 巷道巖層分布及巖性特征

2 理論分析

2.1 錨固前后煤體強度變化

國內外學者對錨桿支護理論進行了比較全面、系統的研究，大致形成了懸吊理論、組合梁理論、組合拱理論、最大水平應力理論等相關理論。盡管錨桿支護在不同地質條件下作用機理可能不同，但錨桿支護能不同程度地提高錨固煤巖體的強度、彈性模量、凝聚力和內摩擦角等力學參數。而且，錨桿能改善破碎區、塑性區內煤巖石的力學性質，提高煤巖體屈服后的強度。

2.2 支護參數設計

為研究不同支護形式及參數在1202E 運輸巷的支護效果，巷道采用了3種支護形式進行對比試驗。第一種為原巷道支護采用的全螺紋鋼錨桿，第二種為淮北生產的450號高強錨桿，第三種為高預緊力強力錨桿。

2.2.1 全螺紋鋼錨桿支護參數

巷道采用錨帶網及錨索聯合支護。頂板采用3600m 長的W 或M 型鋼帶，配10＃菱形鐵絲網（網片規格4000 mm×1000 mm）及6 根直徑為22mm全螺紋鋼錨桿，其中，兩肩窩處的錨桿長為2400mm，其余的長為2200mm，錨桿間排距750 mm×1000mm；兩幫各采用?20mm×2000mm全螺紋鋼錨桿配鋼絲繩梯子梁 （或鋼筋梯子梁、膠帶梯子梁）及塑料網 （上幫網片3500 mm×1000 mm、下幫網片2000mm×1000mm）護幫，上幫4根錨桿，間距1000 mm，下幫3 根錨桿，間距1000mm，錨固方式為加長錨，每根錨桿使用兩根Z2835型樹脂錨固劑。菱形網及塑料網網孔規格為50mm×50mm。

2.2.2 淮北高強錨桿支護參數

原支護參數不變，將全螺紋錨桿替換為淮北生產的450號高強錨桿，錨桿長度和直徑不變。

2.2.3 高預緊力強力錨桿支護參數

通過數值模擬分析，確定高預緊力強力錨桿支護桿體為25＃左旋無縱筋錨桿專用螺紋鋼筋，直徑25mm，長度2.4m，桿尾螺紋為M27。錨固方式采用樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，一支規格為K2835，另一支規格為Z2860。采用W 鋼帶護頂護幫，鋼帶規格厚度5 mm，寬280 mm，長3800mm、3500 mm 和1800 mm。錨桿托盤采用拱型高強度托盤，承載能力不低于400kN。采用金屬經緯網護頂護幫，網片規格分別為4500 mm×900mm、3600mm×900mm 和1900mm×900 mm，網孔為50mm×50mm。高預緊力強力錨桿支護的錨桿數量、排列方式與全螺紋鋼錨桿、淮北高強錨桿相一致。

2.3 支護效果分析

2.3.1 巷道表面位移

圖1為不同支護形式條件下巷道表面位移觀測曲線圖。從圖1可以看出，3種錨桿支護形式對巷道圍巖變形的控制作用相差很大。其中，全螺紋鋼錨桿支護段巷道變形量最大，兩幫移近量高達779mm，兩幫移近速度達5.23mm／d，頂底板移近量為930mm，頂底板速度達6.24mm／d；淮北高強錨桿支護變形量有所減小，但減小的幅度并不大，兩幫移近量仍有507 mm，兩幫移近速度達3.40mm／d，頂底板移近量866mm，頂底板速度達5.81mm／d。相比全螺紋鋼錨桿支護和淮北高強錨桿支護，高預緊力強力錨桿支護效果明顯改善，巷道兩幫移近量僅為173mm，兩幫移近速度僅有1.2mm／d，頂底板移近量僅為281 mm，頂底板速度僅有1.9mm／d。因此，無論是頂底板移近量還是兩幫移近量，高預緊力強力錨桿支護效果都明顯強于其他兩種支護方式，說明高預緊力強力錨桿支護能更有效控制巷道圍巖的變形。

圖1 3種錨桿支護巷道表面位移觀測曲線

2.3.2 巷道頂板離層

圖2為不同支護形式條件下巷道頂板離層觀測曲線圖。與巷道表面位移規律相似，3種錨桿支護形式中全螺紋鋼錨桿支護頂板離層量最大，最大值約為80mm，淮北高強錨桿支護頂板離層量次之，最大值約為57 mm，高預緊力強力錨桿支護離層量最小，最大值約4mm?？梢姼哳A緊力強力錨桿支護具有明顯的優勢。

2.3.3 錨桿受力

在現場采用全螺紋鋼錨桿、淮北高強錨桿和高預緊力強力錨桿各5根進行巷道支護試驗，表2為運輸巷在不同支護形式條件下巷道錨桿受力計數據，從表中可以得出全螺紋鋼錨桿和淮北高強錨桿的測力計數據上升很快，而高預緊力強力錨桿由于預緊力遠大于其他兩種錨桿，高預緊力強力錨桿受力變化量較小且相對穩定。高預緊力強力錨桿有助于將巷道圍巖錨固在一起，形成一個整體，從而抑制圍巖膨脹離層現象的發生。

圖2 3種錨桿支護頂板離層曲線

表2 錨桿受力計數據

從表2中可以看出，全螺紋鋼錨桿初始受力較小，安裝后受力增加很快，可能是受到巷道開挖的影響，錨桿在開挖一定時間后增長到屈服極限，之后緩慢增長到強度極限，在強度極限后出現頸縮現象，錨桿拉力減小，直至被拉斷；淮北高強錨桿受力變化幅度相對較小，但預緊力不高導致容易被拉斷；高預緊力強力錨桿由于安裝時錨桿受力較高，之后變化幅度較小，這是因為高預緊力強力錨桿及時對圍巖提供了約束力。在監測過程中發現高預緊力錨桿未達到屈服極限，從而杜絕了拉伸破壞的發生。

2.4 支護效果評價

全螺紋鋼錨桿由于強度低、剛度低、預緊力小，支護效果差，巷道頂底板和兩幫變形嚴重；淮北高強錨桿雖然在錨桿受力和控制巷道變形方面有所改善，但由于預緊力不高，在深部高地應力作用下仍不能有效控制頂板離層和兩幫位移，不能滿足支護要求；高預緊力強力錨桿具有強度大、剛度大、預緊力高的優勢，能有效控制頂板離層和兩幫位移，頂板離層量小于10mm，底臌量在300mm以內，兩幫移近量小于200mm，斷面收縮率由原支護條件下的45.5%下降為13.6%。同時，高預緊力強力錨桿支護還杜絕了錨桿拉伸破壞，實現了回采巷道一次成巷，巷道支護狀況發生了根本性的改變，支護效果得到大幅度改善。

3 結論

（1）巷道錨桿支護能不同程度地提高煤巖體強度、彈性模量、凝聚力和內摩擦角等力學參數，改善破碎區、塑性區內煤巖石的力學性質，提高其屈服后的強度，使煤巖的破壞變得相對平緩。

（2）在深部高應力條件下，原有的全螺紋鋼錨桿支護因為自身強度、剛度、預緊力低，巷道變形破壞嚴重；淮北高強錨桿在錨桿受力和控制巷道變形方面有所改善，但在高地應力作用下仍不能有效控制圍巖變形，不能滿足支護要求；高預緊力強力錨桿具有強度高、剛度大、預緊力大的優勢，有效控制了頂板離層和兩幫位移。

（3）相比原有的全螺紋鋼錨桿支護和淮北高強錨桿，高預緊力強力錨桿支護杜絕了錨桿拉伸破壞，實現了回采巷道一次成巷，支護狀況發生了根本性的改變，有效改善了巷道支護效果。

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