高應力復合頂板下煤巷錨桿支護技術的應用

張松朝ZHANG Song-chao；陳崇CHEN Chong；李英杰LI Ying-jie；姚恩廣YAO En-guang

（①平頂山工業職業技術學院，平頂山 467001；②平煤股份四礦，平頂山 467093）

（①Pingdingshan Vocational College of Industry Technology，Pingdingshan 467001，China；②Pingmei Group No.4 Mine，Pingdingshan 467093，China）

0 引言

目前，錨桿支護技術已經廣泛應用于各類煤礦巷道之中，它具有成本低、強度高、讓壓性好、勞動強度小和施工安全等優點，得到了廣泛使用。據統計，目前國有重點煤礦平均錨桿支護率已達到60%，有些礦區錨桿支護率超過90%，甚至達到100%。但是，隨著采深的不斷增加和巷道斷面增大，高應力、復合頂板等特殊地質條件的出現，巷道支護問題更加突出，頂壓、側壓、底鼓較為嚴重，錨桿、錨索破斷現象時有發生，嚴重威脅著礦井的安全生產。本文以平煤四礦己15-23110 機巷為例，采用高強預應力可變形讓壓錨桿和均壓鳥窩錨索支護技術，有效控制了巷道圍巖變形，為工作面安全回采提供了保證。

1 工程概況

平煤四礦己15-23110 機巷位于己三東翼下部，上下階段均為實體煤，西為己三西翼總回風、己三軌道下山和己三皮帶下山，東為一礦井田邊界，回采垂深在860～990m之間，為深部高應力巷道，巷道斷面為矩形，尺寸為2.8m×4.6m。頂板巖性比較復雜，己15-23110 機巷頂板以上10.0m范圍內分別為粉砂質泥巖，炭質泥巖（含煤線），粉砂質泥巖，己14 煤層、泥巖、粉砂質泥巖和細沙巖，屬于復合頂板。頂板綜合柱狀圖如圖1 所示。

由于是高應力、復合頂板，造成巷道支護困難。巷道在掘進過程中的圍巖壓力顯現明顯，頂壓、側壓、底鼓都較為嚴重，錨桿、錨索破斷時有發生，不但增加成本，降低了經濟效益，而且嚴重威脅著礦井的安全生產。

2 主要問題及分析

圖1 頂板綜合柱狀圖

2.1 原支護參數 巷道初期采用錨網錨索聯合支護形式，主要參數如下：①錨桿。錨桿采用φ20mm×2000mm 左旋高強讓壓錨桿，頂錨桿間排距700mm×700mm，幫錨桿間排距：上幫，800mm×700mm，下幫，750mm×700mm。②錨索。采用φ22mm 的19 股預應力錨索，長度為6.5m，排距700mm，每排5 根。③W 型鋼帶。頂鋼帶規格為200mm×4400mm，上幫鋼帶200mm×3100mm，下幫鋼帶200mm×2400mm。

2.2 主要問題分析 現場觀測表明，在原有支護系統下，巷道頂板和兩幫變形量很大，錨桿、錨索破斷問題時有發生。在掘進后一個月內，巷道頂底板移近量平均為0.6～0.8m，兩幫移近量平均為0.3～0.5m，個別地方高達1.0m，需每隔一段時間對巷道進行維修，影響了巷道的正常使用。從巷道支護系統分析，主要存在以下不足：

①對錨桿、錨索在復合頂板條件下對巖體的加固與圍巖補強作用機理認識不足。錨桿支護是通過懸吊作用和組合梁作用將錨桿錨入圍巖內部來改變圍巖自身的力學狀態，以達到維護巷道穩定的目的。由圖1 可知，需將錨桿錨固在巖層較厚、巖性較好的頂板泥巖上，錨索需將端頭錨入頂板巖性較好的巖層中，而原有的支護參數不能滿足上述要求。

②錨索和錨桿系統的耦合設計難以達到共同支護頂板的作用。在支護的耦合設計中，錨桿、錨索的變形要與圍巖變形保持同步，而在復合頂板條件下，由于巷道頂板巖性不同，造成錨桿、錨索在不同部位的變形不同，錨桿、錨索破斷問題時有發生。

③錨桿的讓壓裝置讓壓點不明確而且穩定性差。合理的讓壓性能應該做到錨桿在一定預應力內穩定讓壓，以保證巷道支護效果和防止錨桿破斷。而現場觀測表明，有很多錨桿讓壓裝置沒有達到預應力而提前讓壓，以致巷道穩定性較差。

3 支護方案與支護效果監測

3.1 支護方案 根據上述原因分析和多年支護經驗，經過數值分析后，決定改進支護參數，確定支護方案如下：

采用可變形讓壓錨桿+鳥巢錨索+W 鋼帶聯合支護形式，主要參數如下：

①錨桿。錨桿采用φ20mm×2400mm 高強高預應力可變形讓壓錨桿，頂錨桿間排距800mm×800mm，幫錨桿間排距：上幫，900mm×700mm，下幫，950mm×700mm，錨桿安裝應力：60KN，讓壓點：150KN。

②錨索。采用φ17.8mm 的19 股耦合讓壓鳥窩錨索，長度為8.5m，排距800mm，每排3 根。托盤采用高強球形耦合讓均壓管，尺寸為300mm×300mm×12mm。

③W 型鋼帶。頂鋼帶規格為2.5mm×4400mm，上幫鋼帶2.5mm×3100mm，下幫鋼帶2.5mm×2400mm。

圖2 巷道支護斷面圖

3.2 支護效果監測 采用可變形讓壓錨桿+鳥巢錨索+W 鋼帶聯合支護后，在巷道內每隔10 米設置表面位移測站，總計安裝6 個測站，監測巷道頂幫及底板移近量。同時對錨桿進行了拉拔試驗，監測錨桿的整體變形能力。通過支護完成后1 個月的礦壓監測，得到測站的巷道變形量和拉拔試驗數據如圖3 和4 所示。

由圖3 可以看出，巷道在開挖支護完成一個月內，斷面收縮率較小，巷道變形以頂板下沉為主，兩幫平均累計移近量不超過100mm，頂底板平均累計移近量不超過250mm，與原來相比巷道移近量減少50%以上，巷道圍巖控制效果較好。由圖4 可以看出，在拉拔初期，由于受鉆機安裝載荷影響，錨桿頭位移曲線變化很小；當拉拔力從30KN 上升到200KN 時，錨桿頭位移曲線雖有小波動，但基本呈線性變化，說明錨桿處于彈性變形階段，錨桿系統沒發生明顯破壞；在拉拔力大于200KN 時，錨桿頭位移曲線變陡，錨桿屈服明顯。說明錨桿在200KN 以內，錨桿支護系統能夠滿足設計要求。

圖3 巷道圍巖平均表面位移

圖4 錨桿拉拔平均試驗曲線

4 結論

①錨桿（索）支護是根據組合梁的理論進行設計，尤其在高應力、復合頂板條件下，懸吊和組合梁理論顯得尤為重要。采用可變形讓壓錨桿+鳥巢錨索+W 鋼帶聯合支護的方法，能夠形成組合加固拱結構，減少頂板離層，提高了圍巖的整體支護能力。

②一定要結合實際礦井的地質條件和巷道情況來選定合理的錨桿、錨索、金屬網及支護密度等技術參數。在高應力、復合頂板條件下，要根據復合頂板的地質狀況，合理選定錨桿、錨索的技術參數，保持與圍巖整體的同步協調變形能力，以此來達到控制巷道圍巖變形的目的。

③實踐證明，在己15-23110 機巷改進支護設計參數后，支護質量和支護強度均達到了預期的設計要求，有效控制了高應力、復合頂板的圍巖變形，提高了巷道掘進速度，也為同類巷道的支護提供了成功經驗。

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