煤礦綜放回采巷道錨桿支護技術應用研究

趙明亮

(山西焦煤汾西礦業集團高陽礦，山西 孝義 032306)

1 煤礦情況概述

某煤礦綜放面主采3下煤層，主要沿著煤層底板掘進，地面標高約為+35 m，巷道標高約為-220 m，巷道埋深為250 m。其煤層柱狀圖，如圖1所示。

圖1 煤層柱狀圖

通過分析地質資料可知，3下煤層沉積較為穩定，平均厚度為5.93 m，平均傾角為5°，煤層的抗壓強度約為2 kPa。煤層整齊的力學性質較高，且強度較高，屬于簡單的煤層結構，中間為塊狀，粉砂巖，厚度約為3.2 m。煤層老頂為中砂巖，厚度約為14 m，屬于高角度裂隙發育。煤層直接底為黏土巖，遇水易膨脹變軟，厚度約在0.28 m～2.69 m。老底為粉細砂巖，厚度約為13.2 m。此煤礦3下煤層頂底板的具體巖石力學性質，如第170頁表1所示。

2 錨桿支護原理及作用

2.1 錨桿支護原理

錨桿屬于一種加固支護方式，主要被用于邊坡、巖土深基坑等地表與隧道工程中，在制作桿柱時主要采用金屬、聚合物或木件等材料，在地表巖體與周圍巖體預先打好的孔中鉆入，將圍巖與穩定巖體結合在一起，從而產生補強、組合梁、懸吊等效果，達到有效支護的目的。錨桿支護方法成本較低、操作簡便且占用施工凈空較少。同時，其可以通過麻桿軸向作用力確保圍巖應力狀態由單向受壓變為三向受壓，在承受自身質量的同時也可以承受外部載荷，提升了環向抗壓強度，有效控制了圍巖的變形問題。

2.2 巷道支護中錨桿支護的作用

組合梁理論、組合拱理論以及懸吊理論等均屬于傳統錨桿支護的理論基礎，且這些理論針對了不同的圍巖條件，設計簡單，在綜放回采工程中得到了廣泛使用。但這些理論也存在一定的局限性，無法適用各種巷道條件。當前煤礦綜放回采巷道中主要利用了三高一低支護理念，高可靠性、高強度、高剛度以及低支護密度。其具體作用機理如下。

一是錨桿支護主要確保圍巖保持受壓狀態，避免圍巖出現剪切、彎曲變形以及拉伸等問題，有效控制錨固區圍巖滑動、離層、裂紋產生以及裂隙張開等變形破壞問題，最大限度的確保圍巖的完整性，降低圍巖強度，確保錨桿圍巖的完整性，使圍巖成為承載力主體[1]。同時，還可以在錨固區周圍形成較大的承載結構，在改善圍巖應力分布狀態的同時阻止錨固外巖層發生離析問題，改善圍巖應力狀態。錨桿支護可以有效解決圍巖彈性變形以及擴容變形等問題，對巖石彈性變形之前的塑性變形控制作用并不明顯。二是錨桿支護剛度較為重要，預應力擴散直接決定著其剛度。對此，相關技術人員應根據實際的巷道條件確定合理的預應力，從而實現擴散支護。單根錨桿預應力作用有限，為了使預應力擴散至更遠圍巖中，必須安裝金屬網、鋼帶以及托板等構件。在巷道表面很小的支護力也可以有效抑制圍巖變形問題，由此看出，預應力支護系統中的護表構件具備十分重要的作用。三是錨桿支護系統存在臨界剛度，錨固區不產生離層與應力區所需的支護剛度。當支護剛度小于臨界剛度時，圍巖處于變形狀態，不穩定；反之，支護剛度達到臨界剛度時，可以有效抑制圍巖變形問題，確保巷道長期屬于穩定狀態。由此看出，錨桿預應力受支護剛度的影響，當預應力達到一定數值后，錨桿受力不會產生明顯變化，且可以有效抑制圍巖變形問題。四是錨索具備兩方面作用，一是可以連接錨桿支護預應力承載結構與深部圍巖，提升了承載結構的穩定性，使其可以共同承擔巖體；二是可以為錨索施加更大的預緊力，并與錨桿形成骨架網狀結構，在主動支護圍巖的基礎上為圍巖提供壓應力，確保其完整性。五是可以提升錨桿與錨索的預應力，改善巷道支護效果。對于結構較為復雜的巷道，應使用強力錨桿與高預應力組合支護方法，通過一次性支護控制圍巖變形問題，避免巷道維修。

表1 頂底板主要巖石力學性質

3 綜放回采巷道錨桿支護關鍵技術

根據煤礦綜放回采巷道的結構特性，技術人員應針對回采巷道存在的錨桿支護問題采取有效解決措施。

3.1 合理確定錨桿預緊力

在安裝錨桿時需要施加一定的預緊力，從而確保錨桿成為主動型支護方式，在提升錨桿錨固效果的基礎上，實現回采巷道錨固結構的高阻讓壓。結合當前煤礦回采巷道圍巖條件、錨桿以及鉆機等情況，技術人員應為錨桿施加10 kv～15 kv的預應力。

3.2 合理確定錨桿支護強度

錨桿及其錨固范圍內的圍巖強度直接決定著錨桿與錨固范圍圍巖結構的穩定性，強度強化效果越大，巷道越穩定。由此看出，錨桿的支護強度決定著綜放回采巷道的穩定性。由當前煤礦條件，綜放回采巷道錨桿支護強度應保持在0.2 MPa，技術人員應通過加強支護措施與施加錨桿支護體系實現。

4 綜放回采巷道錨桿支護方案

4.1 錨桿支護設計方法

在對此煤礦綜放回采巷道錨固支護方案進行設計時應采用以計算機模擬為基礎的錨桿支護體系，引用美國大型巖土計算程序有限差分軟件完成計算，在模擬錨桿支護參數、支護條件以及掘進巷道變形問題的基礎上，優選方案。將設計、施工、監測以及信息反饋最為系統工程，設計此煤礦綜放回采巷道的錨固支護方案[2]。

4.2 錨桿支護方案

計算數值并根據相關理論分析，技術人員明確綜放回采巷道的錨桿支護方案。一是巷道應保持為矩形斷面，沿空尺寸保持為：寬×高為4.6 m×3.0 m；實體尺寸：寬×高為4.2 m×2.9 m。二是沿空挖掘時窄煤柱尺寸為4.0 m。三是做好錨桿的布置工作，左幫/頂板/右幫=353。四是應選擇高強度錨桿，使用無縱筋左旋全螺紋桿體，頂板尺寸為18 mm×2 400 mm；兩幫為18 mm×2 000 mm。五是兩幫錨桿與綜放回采巷道應采用加長錨固方法，使用規格為Z2335的樹脂藥卷二卷，長度為700 mm。六是頂板應采用兩排小孔徑錨索實現加強支護，兩排錨索距巷道兩幫為800 mm。取長度為6.4 m的鋼絞線，并配合使用配套的鎖具、0.4 m長度的槽鋼以及托板各一個，三支Z2335的樹脂藥卷錨固。應每四排錨桿安裝一套錨索，保持間距為3.6 m。七是支護方面采用其他輔助措施，在頂板與巷道兩幫鋪設鋼筋梯子梁與金屬網。八是錨桿排距設計為900 mm。

5 煤礦綜放回采巷道的支護效果

在掘進煤礦綜放回采工作面試，技術人員應確保圍巖移近量保持在50 mm范圍內。且采用兩巷超前支撐壓力的影響范圍保持在40 m內，實際測量發現，實體煤礦巷道頂底板移近量最大為31.5 m，最大移近速度為12 mm/d，超前10 m范圍內巷道出現明顯變形。同時，巷道兩幫最大移近量為35 mm，最大移近速度為14 mm/d。

在檢測圍巖實際壓力情況時，技術人員應采用液壓枕觀測方法。實際測量可知，在掘進巷道時，煤礦巷道錨桿受力明顯變小，保持在2 MPa～3 MPa之間。此時留窄煤柱巷道的兩幫受力變大，錨桿受力較為明顯。在實際掘進過程中，液壓枕最大讀數為9 MPa，平均讀數在5 MPa～6 MPa。受采動因素的影響，液壓枕的實際讀數并未發生改變，但比較實體巷道，其變形較為嚴重，除此之外，受采動因素的影響，煤礦回采巷道不需要進行維修，這表明巷道錨桿的支護參數有效合理。

6 結語

綜放面回采巷道采用了高強度的螺紋鋼樹脂錨固錨桿，斷面可以滿足安全生產要求，且巷道無需維修，確保了綜采面快速安全掘進，為實現煤礦高效開采創造了有利條件。由此看出，在煤礦綜放回采過程中使用合理的錨桿支護方案，可以有效保證巷道的安全正常使用，降低了工人的勞動強度。