全斷面預應力錨索支護技術在底抽巷軟巖掘進中的應用

梁洪山

（河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454003）

中馬村礦為煤與瓦斯突出礦井，工作面正常回采前均需采取區域瓦斯治理措施，主要采用底抽巷穿層鉆孔預抽煤層瓦斯[1-4]。施工底抽巷是進行區域瓦斯治理的關鍵環節，3900上中間底抽巷巷道掘進后變形量顯現強烈，巷道錨桿、錨索支護出現錨固力低、脫錨、片幫甚至出現支護失效和巷道破壞嚴重等情況，造成巷道支護損壞、危及人身安全，巷道在服務瓦斯治理工程期間維修頻繁，造成大量的人力、物力、財力浪費，嚴重制約瓦斯治理期限，影響礦井正常生產接替。

1 工程背景及研究意義

1.1 工程背景及巷道基本地質情況

中馬村礦井田地處焦作煤田中部，南鄰九里山斷層，西部緊依鳳凰嶺斷層，北鄰李河斷層、李莊斷層和小馬村礦，東鄰馮營礦，井田面積17.1219 km2。主采山西組二l煤，煤層埋深61～788m，煤層底板標高+45～-680m，煤厚0.10 ～13.53 m，平均4.90 m，屬較穩定煤層。中馬村礦3900上中間底抽巷位于39采區西翼上部，巷道北臨2906工作面采空區，南為39022工作面，東起39輔助回風巷，西至39采區邊界，3900工作面底抽巷位于二1煤層底板8.8 ～13.7 m，大部在煤層底板以下10m左右，巷道在安全巖柱范圍之內，該巷道主要服務于3900工作面瓦斯抽采。

1.2 巷道原支護設計

巷道選用錨網索噴支護形式，全斷面布置12根錨桿，錨桿間排距為800×900mm，誤差為-100～100mm，錨桿選用高強度阻尼錨桿，規格為Φ20×2400mm；全斷面布置3根錨索，錨索選用型號為SKP19-1/1820，規格為Φ18.9 ×7200mm，錨索間排距為2000×2700mm（在巷道中線位置布置一根，巷道中線兩側2000mm位置各布置一根），誤差為-100～100mm；噴漿封閉厚度50mm；網片采用Ф6mm鋼筋經緯網，網片規格2000×1000mm，網格100×100mm，網片搭接寬度為100mm，用14#鐵絲呈三花狀雙股綁扎。該支護設計從理論上計算能滿足安全支護要求，但底抽巷在受密集抽采鉆孔施工及水力沖孔影響后，巷道變形嚴重無法滿足長時間區域瓦斯治理時間需要，需進一步優化支護設計。

2 底抽巷巖性窺視分析

2.1 窺視鉆孔布置及施工情況

3900上中間底抽巷窺視鉆孔設計孔深10m，分別位于該巷通尺300m、350m、495m共布置7個窺視孔（見圖1）。3900上中間底抽巷現場實際共窺視7個鉆孔，分別位于該巷通尺300m（正頂）、350m（右拱肩、正頂、左拱肩）、495m（右拱肩、正頂、左拱肩）。見表1。

表1 3900上中間底抽巷窺視孔統計表

圖1 3900上中間底抽巷窺視孔布置圖

2.2 窺視鉆孔情況分析

從全部窺視孔得出，巷道通尺300m斷面頂板裂隙、破碎主要集中在3m以下，8.64 -8.76 m處出現離層分析為原生離層；通尺350m斷面圍巖裂隙、離層主要出現在3m以下，其它圍巖整體較為完好；通尺495m斷面圍巖裂隙較多，最深處出現在6.66 m，離層破壞最深處在5.74 m。

圍巖裂隙大多在3m以下，個別鉆孔在較深處產生了離層，分析是圍巖原生裂隙發育產生的影響；從破碎位置來看，巷道頂板基本穩定，兩拱肩處為薄弱區域。

2.3 新支護方案

全斷面錨網索噴支護，頂板打設4根錨桿，沿巷道中線對稱布置，錨桿間排距：1000×900mm，誤差：-100～100mm，錨桿規格：Φ20mm×2400mm，高強度阻尼錨桿；短錨索布置：從錨桿下方1000mm處開始布置，間排距：1000×900mm，誤差：-100～100mm，規格：Φ21.6 mm×4000mm，底部錨索施工時下扎15°；長錨索布置：沿巷道中線對稱布置，且在中線位置布置1根錨索，錨索間排距：2000×2700mm，誤差：-100～100mm，規格：Φ21.6 mm×7200mm；噴漿封閉厚度50mm；網片采用Ф6mm鋼筋經緯網，網片規格2000×1000mm，網格100×100mm，網片搭接寬度為100mm，用14#鐵絲呈三花狀雙股綁扎，見圖2。

圖2 3900上中間底抽巷窺支護斷面圖

2.4 計算法校核支護參數

依據巷道圍巖松動圈分類及錨網索噴支護建議，3900上中間底抽巷圍巖為中等穩定，按懸吊理論計算[5]。

2.4.1 錨桿長度計算

L=L1+L2+L3=0.15 +1.5 +0.4 =2.05 m

式中：L1-錨桿外露長度，其值主要取決于錨桿類型及錨固方式，取0.15 m;L2-錨桿的有效長度，不小于不穩定巖層的厚度，取1.5 m;L3-錨桿錨固長度，一般L3取0.3 ～0.4 ，取0.4 m;因此取錨桿長度L=2400mm可滿足施工要求。

2.4.2 錨桿錨固力與直徑

錨固力應不低于被懸吊不穩定巖層的重量，用下式進行計算：

Q=K L2α1α2γ=2×1.5 ×0.8 ×0.8 ×25=48kN

式中：Q-錨桿錨固力，kN;K-安全系數，一般取1.5 ～2;α1、α2-錨桿間排距，m;γ-巖層平均重力密度，取25kN/m3;錨桿采用高強度阻尼錨桿，錨桿的直徑根據桿體承載力與錨固力等強度原則確定，依據公式：

式中：d-錨桿直徑，mm;σt-桿體材料的抗拉強度，根據錨桿檢驗報告可得此錨桿抗拉強度不低于630MPa，可得d=9.8 mm，該型號錨桿直徑為20mm，可滿足直徑要求。

2.4.3 錨桿間、排距

因錨桿設計間距、排距大小相等，可取α=α1=α2，依據下式

式中：

α-錨桿間距;Q-錨桿錨固力，該型號錨桿要求錨固力為100kN;可得α值小于等于1140mm即可，結合工程類比錨桿間排距取1000×900mm可滿足支護需要。

2.4.4 錨索長度的確定

X=X1+X2+X3

式中：X1-錨索外露長度，取0.3 m;X2-錨索的有效錨固長度，不小于不穩定巖層的厚度，取1.65 m;X3-錨索的錨固長度，取1.5 m。

可得X=0.3 +1.65 +1.5 =3.45 m，故幫部選用長度4m短錨索，頂腮部選用長度7.2 m長錨索可滿足需要。

2.5 巷道位移觀測分析

3900上中間底抽巷礦壓觀測站于2020年9月25日建立完畢，并實測原始數據建立臺賬，并實測原始數據建立臺賬，每10天一觀測，現經過50天連續觀測，將該觀測站礦壓顯現情況匯總如下：根據觀測所得數據曲線顯示，該觀測站變化量不大，巷道頂沉變形量最大值為6mm，兩幫變形量最大值為8mm，頂底變形量最大為4mm，以上收斂值為正常巷道收斂，且現場無噴體開裂、兩幫外鼓等巷道破壞情況，全斷面預應力錨索支護在該巷道效果較為明顯[6]。

結束語

中馬村礦3900（上）中間底抽巷通過采用巷道巖性窺視、巷道位移觀測等方式，結合中馬村礦3900（上）中間底抽巷圍巖地質情況，合理優化支護設計方案，針對巷道巖石軟、裂隙發育等情況，采用全斷面預應力錨索支護技術解決了中馬村礦3900（上）中間底抽巷前掘后修、前修后變形的問題，為底抽巷軟巖支護提供了經驗。