沿空留巷巷內錨桿支護優化

張 劍，劉 棟，李洪賓，閆永林

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；4.山西汾西礦業(集團)有限責任公司，山西 介休 032000)

采動巷道圍巖穩定控制為制約煤礦安全生產的技術瓶頸，而無煤柱沿空留巷圍巖控制的難度更大[1]。但無煤柱沿空留巷適合煤炭資源高效開采，實現Y型通風，解決工作面上下端頭隅角瓦斯超限隱患，具有廣闊推廣應用前景[2]，特別近年來何滿潮[3]院士提出的切頂自成巷無煤柱開采工法得到了廣泛應用[4-9]。沿空留巷圍巖能否保持穩定與巷內支護有直接關系，我國學者對巷內支護技術進行了系統研究，張兆一[10]等針對切頂留巷頂板矩形結構特征，提出錨桿和密集預應力超長錨索強力支護技術較好滿足了留巷支護需求；沙旋[11]等結合厚煤層沿空留巷圍巖受力特點，采用高預應力強力支護系統有效保證了留巷圍巖穩定；陳勇[12]等以沁新礦沿空留巷為工程背景，利用高預緊力、高強度、大延伸率錨桿與錨索支護技術，實現了大變形留巷圍巖穩定控制；上述側重研究錨桿錨索及其預應力對控制留巷效果的重要影響[13，14]，而缺乏研究錨桿錨索安裝偏斜度及其預應力對控制留巷圍巖穩定的關鍵作用。

曙光煤礦1226運輸巷試驗切頂自成巷無煤柱沿空留巷工法，留巷服務期出現嚴重變形破壞，與巷內支護質量有密切關系，故后續1228切頂留巷需優化巷內支護技術。本文分析留巷原支護存在問題，基于圍巖地質力學評估，提出并優化留巷錨桿支護技術，井下應用取得預期效果。

1 留巷原支護分析

1.1 原錨桿支護方案

曙光煤礦1226運輸巷為沿空留巷，設計為矩形斷面，寬×高為5.0m×3.5m，留巷原錨桿支護如圖1所示。頂板錨桿錨索同排布置，錨桿選用鋼號335#，規格為?20mm-M22-2400mm左旋螺紋鋼錨桿，3/4隔排交替布置，間排距為900mm×1000mm，配套?120mm×120mm×8mm圓形托板，采用1支MSZ2355和1支MSM2355樹脂加長錨固；錨索采用1860級，規格為?21.6mm-1×7-13000mm低延伸率錨索，配套規格300mm×300mm×12mm平鋼板，3/2隔排交替布置，間排距為1800mm×1000mm，采用2支MSZ2355和1支MSM2355樹脂端部錨固；采用規格為BHW3-280-4800型W鋼帶及12#鐵絲網護表。兩幫錨桿與頂板錨桿規格相同，各布置4根，間排距900mm×1000mm，輔助?14mm-2000mm型鋼筋托梁及12#鐵絲網護幫。頂幫錨桿預緊力矩為190N·m，錨索預緊力為140kN。

圖1 留巷錨桿支護(mm)

留巷復用期間出現了強烈變形破壞，巷道頂板下沉普遍超過300mm，兩幫位移1000mm，底板鼓起量平均超過500mm，大量錨桿錨索破斷失效，反復維修后才勉強滿足使用要求。

1.2 存在主要問題

1.2.1 錨桿錨索布置方式

1226留巷錨桿錨索采用混合式布置方式，即同一斷面既布置錨桿又布置錨索，與錨桿錨索支護基本原理相沖突[15]。錨桿長度相對較短，在巷道淺部圍巖形成主承載結構，控制巷道淺部圍巖離層破壞同時抵抗深部圍巖擴容變形，采用同排混合式布置錨索取代錨桿，造成同排錨桿支護區域內無法形成整體預應力承載結構，從而削弱了淺部圍巖自身的穩定性和承載能力。錨索長度相對較長，錨桿錨索間隔交替布置，錨索控制巷道深部圍巖變形同時在巷道深部圍巖形成次生承載結構，與錨桿控制的淺部圍巖形成深淺部整體共同承載結構，進而共同抵御更深部圍巖擴容變形，保持巷道圍巖穩定。

1.2.2 錨索托盤

1226留巷錨索平托板規格為300mm×300mm×12mm，錨索承受較高載荷時平托板四角翹起，錨索索體作用到巷道圍巖表面應力無法傳遞擴散到深部圍巖，影響錨索控制深部圍巖效果。另外，平托板無壓縮變形性能，無法實現讓壓保護索體的功能。鑒于此，研制出拱形高強度錨索托板，托板大小仍為300mm×300mm，但厚度由12mm增厚為14mm，托板承載力實驗曲線如圖2所示，由圖2可知，托板平均承載力為715.8kN，最大承載力位移平均為27.2mm，不僅與強力錨索索體強度相匹配，而且能夠配套調心球墊調整錨索偏斜度，托板拱部壓縮變形實現讓壓保護索體。

圖2 錨索托板承載力實驗

1.2.3 錨桿錨索預緊力

錨桿錨索預應力為決定巷道支護質量和效果的核心參數[16]。錨桿預緊扭矩與預應力關系曲線如圖3所示，由圖3可知，假如錨桿垂直安裝，曙光煤礦錨桿預緊扭矩為190N·m，對應錨桿預應力不足30kN，預應力水平偏低[17]。錨桿錨索安裝角度對其預應力大小有重要影響，由圖3可知，盡管兩種安裝角度錨桿預應力均隨預緊扭矩增加而增大，但相同預緊扭矩前提下錨桿預應力卻相差較大，如預緊扭矩為300N·m，偏斜度為0°的錨桿預應力為52.4kN，而偏斜度10°的錨桿預應力為40.6kN，相比降低了22.5%，且預緊扭矩愈大，錨桿預應力損失愈大，故錨桿應垂直巷道圍巖表面安裝。

圖3 錨桿預緊扭矩與預應力關系

錨索張拉力與預緊力關系曲線如圖4所示，由圖4可知，兩種安裝角度錨索預緊力也均隨著張拉力增長而增大，但相同張拉力條件下錨索預應力值卻有明顯不同，如張拉力為40MPa，偏斜度10°時，錨索預緊力為138.0kN，而偏斜度0°時，錨索預緊力為164.1kN，相比高出18.9%。由此可見，錨桿錨索垂直安裝呈最佳受力狀態，如果錨桿錨索安裝偏斜度過大，不僅錨桿錨索獲得的初始預應力偏低，而且極易造成錨桿錨索尾部承受復合應力作用而導致非正常拉伸斷裂失效[18]。

圖4 錨索張拉力與預緊力關系

2 留巷圍巖地質力學評估

2.1 地應力評估

曙光煤礦1226工作面成功實施沿空留巷，在材料巷完成兩個測站的原位地應力實地測量，為留巷支護設計提供依據，地質力學測量測站分別位于材料巷150m和1100m位置，如圖5所示。

圖5 地質力學測量測站

采用小孔徑水壓致裂地應力測量裝置在井下巷道實地測量了地應力[19]，測試結果見表1，表中，Pb為啟裂壓力，MPa；Pr為關閉壓力，MPa；Ps為重張壓力，MPa；σH為水平最大主應力；MPa；σh為水平最小主應力，MPa；σv為垂直主應力，MPa。由表1可見，最大主應力為12.29～15.88MPa，應力量級屬于中等水平[20]，形成以構造應力為主的地應力場，水平最大主應力方位為N31.8°W～N83.0°W。總體來看，留巷區域為中等應力水平，地應力大小對留巷圍巖控制難度影響相對較小，但應重點考慮水平主應力方向對巷道頂幫角穩定的影響。

表1 地應力測量結果

2.2 頂幫煤巖強度與結構評析

巷道頂幫煤巖結構鉆孔成像結果和巷道頂板強度分布情況表明，巷道頂板0～3.0m為砂質泥巖，深灰色，泥質膠結，0～1.5m段完整，1.6m位置破碎，1.7～3.0m段完好，其強度平均為43.32MPa；3.0～4.5m為細砂巖，灰白色，鈣質膠結，巖層完整，強度平均為53.50MPa；4.5～7.0m為砂質泥巖，深灰色，泥質膠結，4.5～4.6m段為煤線，4.6～6.6m段完好，其強度平均為38.35MPa。巷道兩幫0～2.7m段松散裂隙發育，完整性差，其中0～0.8m范圍破碎嚴重；2.7～4.0m段完整性好，2#煤層現場強度測試結果為13.0MPa。

圍巖強度與結構實測表明：①巷道頂板7.0m范圍內由砂質泥巖和細砂巖組成，巖層節理、裂隙發育程度弱，整體較為完整，對于保持頂板穩定具有重要作用；②巷道頂板3.0m范圍為砂質泥巖，巖層較為完好無明顯層理等弱結構面，而3.0～7.0m范圍為細砂巖，巖層無弱結構面，錨索合理長度為4～6m[21]，有助于發揮錨索高承載能力；③巷道煤幫強度低軟弱，特別煤幫淺部破碎嚴重，削弱樹脂錨桿錨固效果，應加強煤幫支護。

3 1228留巷支護試驗

3.1 試驗巷道圍巖條件

1228運輸巷實施切頂沿空留巷，巷道埋深為490～525m，圍巖綜合柱狀如圖6所示，2#煤厚度2.83m，傾角2°～5°，頂板直接頂為厚約2.56m粉砂質泥巖；基本頂為厚約7.0m砂質泥巖或細砂巖，深灰色，細粒砂狀結構，碎屑成分以石英為主；直接底為厚約1.2m為粉砂巖，淺黑色，粉砂狀結構，塊狀構造，與現場測試結果吻合。

圖6 圍巖綜合柱狀

3.2 留巷錨桿支護優化

1228留巷仍采用矩形斷面，斷面積由5000mm×3500mm加寬為5500mm×3500mm，留巷寬度加大，支護難度也增大。針對切頂沿空留巷壓力顯現強烈易發生大變形的破壞特征，基于前文分析原留巷支護存在問題，再結合留巷地質力學評估的前提下，提出并優化1228留巷錨桿支護技術，1228留巷錨桿支護優化方案如圖7所示。具體參數說明如下：

圖7 1228留巷錨桿支護優化(mm)

提高錨桿錨索材料強度，錨桿材料由原鋼號335#增大到鋼號500#，直徑由20mm增粗到22mm，即錨桿極限載荷相比原錨桿材料提高1.8倍，顯著提高錨桿支護強度，加大對留巷大變形的控制能力。頂板布置6根、兩幫各布置4根型號為?22mm-M24-2400mm高強度錨桿，頂板錨桿采用1支CK2355和1支Z2355樹脂藥卷，而兩幫采用1支Z2355樹脂藥卷，均為加長錨固，配套托板由原來?120mm×8mm圓形托板配套為150mm×150mm×10mm方形高強度拱形托板，以改善錨桿桿體與附件托板配套的兼容性；錨索由原來1×7股、直徑?21.6mm升級為1×19股、直徑為?21.8mm，最大力延伸率由3.5%提高為7%，以適應沿空留巷圍巖大變形，頂板布置3根型號為?21.8mm-1×19-6300mm強力錨索，采用1支MSCK2355和2支MSZ2355樹脂藥卷端部錨固，配套高強度拱形托板，規格為300mm×300mm×14mm，承載力不低于700kN，以改善錨索索體與附件托板配套兼容性。輔助構件頂板采用型號為BHW4.5-280-5300-1000-6型W鋼帶，兩幫采用BHW4.5-280-450型鋼護板，頂幫均采用10#鐵絲金屬網護表，加強兩幫支護強度。頂錨桿間排距為1000mm×1000mm，幫錨桿間排距為900mm×1000mm，錨索間排距為1800mm×2000mm。為了確保錨桿錨索控制圍巖質量和效果，錨桿預緊扭矩由190N·m提高到300N·m，錨索預緊力由140kN增大至300kN。調整錨桿錨索為交錯隔排布置方式，所有錨桿錨索均設計垂直巷道表面安裝。

3.3 支護效果評價

3.3.1 留巷現場施工情況

1228留巷全長1666m，采用原方案實施390m，采用優化方案完成1276m。其中400～490m范圍由于斷層地質構造影響，局部地段419～423m、470～473m、500～505m頂板破碎成形較差，除此之外留巷成形完整，錨桿扭矩和錨索預緊力均滿足設計要求，試驗取得預期效果。

3.3.2 支護效果評價

除局部地段因斷層影響巷道頂板較破碎，留巷掘進期間巷道其他地段無較大變形。留巷回采期間表面位移與工作面推進距離變化曲線如圖8所示，由圖8可知，頂板最大下沉為132mm，底鼓為165mm，兩幫位移為160mm，礦壓監測結果表明，采用優化方案能有效控制住留巷采掘期間強烈變形。

圖8 留巷表面位移與工作面推進距離關系

4 結 論

1)留巷原支護的主要問題為頂板錨桿錨索同排布置，錨桿錨索預應力小，錨索平托板承載力低、傳遞預應力效果差。

2)留巷區域為中等水平的構造應力，水平主應力方向對巷道頂幫角有明顯影響，頂板由砂質泥巖和細砂巖構成，圍巖強度受圍巖結構影響小，煤層淺部破碎強度低，控制煤幫穩定為留巷支護的關鍵。

3)優化1228留巷錨桿支護技術，采用改變錨桿錨索布置形式，增大錨桿錨索材料強度，提高錨桿錨索預應力，強調錨桿錨索垂直安裝，改善錨桿錨索與托板兼容性，采用優化方案試驗取得良好效果。