煤礦巷道錨桿支護應用分析

呂迎春，蘇麗君，劉 偉

（兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272102）

0 引言

錨桿支護在我國當今煤礦巷道支護方案中經常采用的重要方法，這種支護方式和我國傳統的支護相比，在很大程度上提升了支護效果，并且減少了巷道支護的投入資金，輕緩了巷道支護施工的勞動強度，為煤礦井下工作面的快速掘進做出了突破。

掌握煤礦巷道圍巖的受力情況，熟悉煤礦巷道圍巖的變形規律，運用圍巖和支護體的相互受力作用關系，是進行煤礦巷道支護設計的關鍵核心，國內外學者對煤礦巷道錨桿支護進行了大量的研究，取得了豐富的成果，在實際煤礦巷道支護設計中產生了指導意義。其中，康紅普[1]-等深入剖析研究錨桿支護的受力作用機制，研究提出了高強預應力支護理論，起決定性作用的是錨桿預應力及預應力的擴散作用。劉洪濤[2]-等研究創新出一種新型的可接長錨桿，這種錨桿解決了在大變形巷道支護過程中的技術難題。戴俊[3]-等通過運用錨桿和圍巖的相互作用原理，并結合監測技術，對錨桿支護參數進行優化設計，為達到錨桿支護的更強效果提出見解。張向陽[4]-等通過分析巷道圍巖應力、形變和破壞的特征對錨桿支護回采巷道圍巖力學特征受不同煤層傾角變化所產生的影響進行了研究說明。

本文以興隆莊煤礦4300軌道巷底為主要研究對象，對巷道圍巖穩定性進行模擬分析，對其錨桿支護效果進行研究，按照支護方案進行實際監測，并對巷道支護方案的實踐效果進行了分析。

1 工程背景

興隆莊煤礦系國家六五重點建設項目，是中國自行設計和建造的第一座設計年產300萬t的大型現代化礦井，井田面積54km2，地質儲量7.8億t，可采儲量3.8億t?，F核定生產能力已躍升至年產660萬t。煤礦于1981年12月21日建成投產以來多次承擔國家技術改造實驗項目。

巷道長度300m，埋深350m。頂板為中砂巖：灰白色中砂巖，以石英、長石為主要成份，鈣質膠結，堅硬，局部裂隙發育，夾有黑色條帶，并見有黃鐵礦，RQD值74%。普氏硬度f=6～13。

斷面形狀采用直墻三心拱，跨度為6.4m，高度為4.8m，斷面面積為27.648m2，錨網噴支護為主要支護方式，在巷道兩肩處增設補強錨索。支護材料為金屬網、左旋無縱筋螺紋鋼錨桿、樹脂錨固劑、鋼筋梯和混凝土噴射（水泥、石子、沙子）。

2 巷道錨桿支護方案設計

1）錨桿。頂部采用2.40m長的Φ22mm的KMG500單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，幫部采用1.8m長的Φ20mm的KMG400單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1.0×1.0m，角度與巷道輪廓線切線或與層理面、節理面、裂隙面垂直，最小不應小于75°。

2）錨固劑。當采用2.40m長的Φ22mm單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿時，每孔裝CKb2360（在孔底）及K2360各一卷；采用1.8m長的Φ20mm單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿時，每孔裝CKb2850一卷；錨索每孔裝CKb2360一卷（孔底），K2360二卷。

3）錨桿梯。采用Φ8mm規格為長×寬=2.5m×50mm的鋼筋焊制按排布置，注意保持錨桿梯搭接處距離錨桿托盤的距離大于100mm。

4）金屬網。采用規格為3.0×1.2m直徑不小于4.064mm（8號鐵絲）網孔規格為50×50mm的冷拔鐵絲制作的經緯網，其中金屬網的大小可根據斷面大小及掘進進尺選擇。注意金屬網在使用時，相鄰網片之間鑲嵌搭接距離大于100mm，金屬網之間用間距200mm用12#鐵絲作聯網絲。巖巷正常情況下掛網必須拱頂至腰線上0.5m，圍巖破碎時掛網至腰線下0.5m。

5）錨索。配套標準鎖具采用Φ22mm長度為5.0m的鋼絞線。Φ22mm錨桿錨固力不小于150kN，Φ20mm錨桿錨固力不小于100kN，錨索的錨固力不小于180kN。

6）托盤。采用分為兩種，一是錨桿托盤采用規格為長×寬×厚=150×150×10mm的Q335鋼板加工的托盤，二是錨索托盤采用規格為長×寬×厚=250×250×20mm的Q235A鋼板加工的托盤。

7）噴射混凝土。采用配合比為水泥：砂：石子=1：2：2的比例為配合材料，混凝土采用C20的設計標號，噴射厚度為50mm。噴射混凝土配合材料中，水泥采用標號大于R42.5的普通硅酸鹽水泥，砂采用純凈的河砂，石子采用粒徑6-10mm的碎石，速凝劑采用煤海J-85型，注意速凝劑要在噴漿機進料口均勻加入，并且摻量控制在水泥重量的3%-5%范圍內，噴拱時取為水泥重量的5%，在噴射淋水區時要考慮速凝劑的摻入量增加。

8）預緊力。錨桿盤需要用螺母緊貼巖面牢固擰緊，在固定錨桿時，要注意將其外露絲距離螺母留有10-55mm的距離；錨索固定時的露出距離應滿足150-250mm；Φ22mm和Φ20mm的錨桿預緊力分別不小于150 N.m和100 N.m。

圖1 巷道錨桿支護方案樣例

3 巷道圍巖穩定性模擬研究

3.1 頂板巖層強度變化對圍巖變形的影響

圖2 巷道圍巖塑性區

圖3 巷道圍巖z方向位移

由圖2、圖3可知，通過頂板塑性區域范圍的不斷擴大可知頂板圍巖的穩定性隨著巖層強度的逐漸減弱而不斷變差；頂板的強度較小時，頂板外表面的破壞形式主要是拉破壞，內部主要還是以剪切破壞為主，塑性區最深處在頂板的中部。

3.2 兩幫巖層強度變化對圍巖變形影響

圖4 巷道圍巖塑性區

圖5 巷道圍巖x方向位移

由圖5可知，通過兩幫部的塑型區域范圍的不斷擴大可知兩幫部圍巖的穩定性隨著巖層強度的逐漸減弱而不斷變差；兩幫的強度較小時，幫部外表面的破壞形式主要是拉破壞，內部主要還是以剪切破壞為主，塑性區最深處在幫部的中部。

4 巷道錨桿支護效果探究

4.1 巷道表面位移量監測

通過監測巷道表面位移量的變化對巷道穩定性可提供直觀的說明，以巷道表面位移量為依據和參考。第1監測點設置在本文所選巷道斷面處，以后每隔20m設置一個監測點，總共布置3個監測點。監測指標為巷道兩幫和頂底板移近量，監測總時間為4個月，每次監測間隔為15天，監測結果如下圖。

圖6 巷道表面位移量

由圖6可知，對該支護方案進行監測，通過分析匯總4個月內巷道圍巖表面的變化量，圍巖兩幫和頂底板之間的距離均發生不同程度的移近，其中頂底板移近27mm，兩幫部移近22mm，說明該巷道的穩定性基本保持不變。巷道圍巖形變與破壞控制在實際生產允許的范圍之內。

4.2 錨桿受力荷載變化

圖7 錨桿受力荷載變化量

由圖7可知，對錨桿受力載荷變化進行分析，錨桿受力載荷變化較為均勻。支護完畢的初期錨桿受力荷載基本沒有發生變化，在之后的時間內由于集中應力的不斷影響，錨桿承受的荷載開始增加。綜合錨桿受力荷載變化分析可知，其變化規律符合錨桿的承載能力。

5 總結

通過對巷道圍巖變形受力情況進行模擬分析，對巷道錨桿支護方案進行實踐研究，并對巷道表面位移量和錨桿受力荷載進行監測，綜合表明，錨桿布局設置與圍巖受力分布相吻合，該煤礦現有錨桿支護方案效果良好。