錨索梁聯合支護過破碎帶快速施工技術在屯蘭礦的應用

仲曉偉

（西山煤電集團屯蘭礦，山西　古交　030200）

1　12505順槽巷巷道圍巖條件分析

屯蘭礦12505順槽巷位于南五盤區2號煤層，巷道設計長度為1 600m，工作面煤層厚度為3.6～4.5m，平均厚4.2m，f=2.0，煤層中夾雜著厚度為0.3m灰褐色炭質泥巖，f=2.5～3，2號煤層頂板存在偽頂主要以炭質泥巖為主，平均厚度為0.8m；12505順槽巷直接頂主要以深灰色粉砂巖為主，巖層平均厚度為4.8m，直接頂巖石層脆性大，巖層內混合植物化石及菱鐵質結核，巖石層裂隙及節理較多；12505順槽巷基本頂主要以灰色粗砂巖為主，平均厚度為5.0m。12505順槽巷巷道斷面規格為寬×高=4.5 m×3.4m，巷道采用爆破施工工藝，由于該巷道圍巖節理裂隙比較發育，強度低，巷道在掘進過程中出現頂板破碎、離層、局部冒頂現象，導致巷道支護困難。

2　12505順槽巷巷道破壞原因分析

1）圍巖應力高。12505順槽巷在施工期間受鄰近采空區及上覆巖層采動壓力影響，巷道圍巖應力相對較高。在受多重應力集中作用下，巷道圍巖應力是普通圍巖應力3倍以上，因此采動影響是導致12505順槽巷礦壓顯現嚴重的主要原因[1]。

2）圍巖軟弱。根據屯蘭礦地質科提供水文地質資料顯示，12505順槽巷在掘進期間存在偽頂，厚度為0.8m，受應力影響偽頂無法預留，隨采隨落，同時該巷道直接頂厚4m左右，巖性軟弱，容易導致頂板離層，發生冒頂事故。

3）支護方式不合理。12505順槽巷在施工期間礦壓顯現主要表現在頂板離層、破碎、嚴重變形。前期采用錨、網支護效果較差主要原因如下：錨桿支護對圍巖護表不足，造成破碎巖石從錨桿之間擠出，雖然錨、網支護護表能力相對強一些，但原來使用的頂板網片為鐵絲網，強度和剛度都較低，不能限制破碎巖石從錨桿之間擠出。錨桿在施工過程中安裝質量差，造成錨固力及支護阻力不符合設計規定。頂板軟巖厚度達，而錨固區范圍較小，不能有效阻止錨固區以外不穩定巖層離層。

3　錨、網+錨索聯合支護

3.1　關鍵圈（層）理論研究

施工巷道圍巖穩定性影響因素主要有兩方面：一是巷道在開挖時自身穩定性強弱；二是巷道圍巖支護材料質量及支護設計合理性。前者是巷道圍巖自身穩定（形成結構）的問題，而后者則是通過選擇合理的支護材料和支護參數，通過支護材料與巖石層相互膠結作用，從而形成一個錨固層且錨固層承載力符合設計要求。圍巖自身形成的穩定結構即為關鍵承載圈，如圖1所示，而通過對巖石層人為施工錨桿、錨索從而形成具有較強承載能力的巖石體稱之為次生承載圈，次生承載圈相對穩定，而且承載能力強。

圖1　巷道圍巖的關鍵承載圈示意圖

3.2　支護作用分析

1）錨桿支護。巷道在施工期間圍巖的原巖應力重新分布，從而形成承受巖層載荷的關鍵承載圈，巷道支護對象主要是關鍵承載圈以內的巖層通過錨桿加固后形成錨固體或次生承載圈，它的穩定與否取決于打入的錨桿是否能與圍巖形成較為穩定的共同承載體。當錨桿能深入關鍵承載圈內部時，錨桿可有效將破壞區巖層與穩定承載圈相互連接，從而避免了破壞區巖層冒落、擴容、離層、滑動現象；當錨桿不能深入到關鍵承載圈內部時，錨桿會在破壞區巖層形成局部次生承載圈，不僅使關鍵承載圈內的應力分布均勻，而且有效制止了破壞區巖層進一步擴容及離層。

2）金屬網支護。金屬網支護主要是對巷道頂板錨桿間巖層加以徑向約束力，阻止巖石層離層、擴容，并提高關鍵承載圈承載能力。在錨桿可深入到關鍵承載圈的情況下，網的主要作用是阻止錨桿間的巖石擴容、離層及垮落。在錨桿不能伸入到關鍵承載圈的情況下，網更重要的作用是與傾斜錨桿組成組合支護系統，阻止錨固區內巖層發生過大的轉動和垮落。

3）錨索支護。若施工巷道圍巖應力較高且巖石層相對破碎，巷道圍巖關鍵承載圈與巷道輪廓相對較遠，采用錨桿支護無法滿足要求，一般采用錨索支護將次生關鍵承載圈懸吊在關鍵承載圈上，不僅防止次生關鍵承載圈發生變形、破壞，同時也可以改變關鍵承載圈的應力狀態，使其應力分布更加均勻，保證關鍵承載圈長期穩定。

3.3　錨、網+錨索聯合支護分析

1）12505順槽巷頂板巖性軟弱，又要受到采動影響，關鍵承載圈離巷道周邊較遠，錨桿不能深入關鍵承載圈，因此選擇采用錨、網+錨索聯合支護的方式維護巷道[2]。

2）12505巷道頂板采用直接為22mm，長度為2.5m無縱筋螺紋剛錨桿，錨桿間排距為1.0m，每根錨桿配套一支MSK23/60，一支MSKC23/35樹脂藥。護幫錨桿采用直徑為22mm，長度為2.0m無縱筋螺紋剛錨桿，錨桿間排距為1.0 m，每根錨桿一支MSK23/60 樹脂藥[3]。

3）頂板錨索采用直接為21.6mm，長度為5.5m預應力鋼絞線，每排施工三根錨索，錨索間距為1.8m，錨索排距為3.0m，錨索施工在相鄰兩排鋼帶中間，每根錨索配套一根長度為0.6m鋼梁，錨索配套三支樹脂藥，即兩支MSK23/60，一支MSKC23/35，巷道斷面上的錨桿和錨索布置如圖2所示。

4）頂板金屬網采用長度為5.0m，寬度為1.4m，網格為50mm×50mm的菱形網，相鄰兩卷金屬網搭接寬度不低于0.2m，網與網之間采用鉛絲五花連接。

5）所有錨桿外露長度控制在10～30mm，錨索外露長度控制在150～250mm，頂錨桿預緊力不得低于200N·m，錨固力不得低于8 t；幫錨桿預緊力不得低于150 N·m，錨固力不得低于5 t；錨索預緊力不得低于10 t，錨固力不得低于17 t[4]。

圖2　12505順槽巷斷面支護示意圖（未標單位：mm）

4　錨、網+錨索聯合支護優點

1）降低了支護材料成本，成功實現了巷道頂板由被動支護方式（棚架支護）到主動支護（錨索網聯合支護）的轉變，大大降低了巷道圍巖移近量，有效控制了巷道的變形，增強了圍巖的穩定性，提高了支護效果。

2）改進了支護工藝，優化了支護參數，提高了巷道快速掘進效率，解決了掘進與支護作業不平衡的難題，有效降低了支護勞動強度。

3）提高了掘進巷道的使用周期，適用于任何斷面規格巷道，加快了掘進速度，降低了巷道頂幫地質壓力，使生產安全系數得到有效提高，掘進和維護成本得到有效控制。

4）優化了采掘工作面巷道設計，減少了區段保護煤柱的損失，加大了煤炭資源回收量，提高了煤礦經濟效益。

5　支護效果分析

1）12505順槽巷采用錨、網+錨索聯合支護后，施工巷道未發生過頂板事故，施工后使用期間巷道變形量較小，不需維修即可完全滿足安全生產需要，頂板離層量不大，最大離層量僅為4mm，巷道基本穩定。

2）12505順槽巷采用錨索網聯合支護后既加快了掘進進度，減小了巷道施工工期，同時減小了與12501運輸順槽的保護煤柱15m，多增加了回采煤量2萬t煤。

3）與傳統的棚式支護相比，聯合支護不僅降低了原煤生產綜合成本，大大提高了煤礦掘進效率，同時采用錨網索聯合支護后施工巷道每米節約成本達310元，整條巷道節約成本達49.6萬元，取得了可觀的經濟效益

6　結語

巷道在施工過程中遇頂板破碎帶若不采取合理有效的支護設計，不僅制約了巷道掘進效率，而且很容易發生重大煤礦安全事故，對此西山煤電集團屯蘭礦在施工12505順槽巷時通過分析研究，決定對施工頂板軟巖破碎頂板采用錨、網+錨索聯合支護，采用該支護方式后不僅加快了巷道掘進速度，減少巷道二次維護成本，而且大大提高了施工巷道頂板穩定性，取得了顯著的經濟效益及安全效益。

[1]王小林.錨桿錨索聯合支護機理及應用[J].煤炭技術，2011（1）：64-65.

[2]公佩暖.錨桿—錨索聯合支護失效分析[J].山西焦煤科技，2011（4）：38-41.

[3]張龍江.錨桿錨索聯合支護在軟巖巷道中的應用[J].中州煤炭，2014（3）：66-67.

[4]趙海彥.高預應力強力錨桿錨索聯合支護技術研究[J].機械管理開發，2016（12）：143-145.