礦建工程巷道掘進錨桿支護的特點及支護效果研究

陳東義，郭彥波

（山西長安科技有限公司，山西 太原 030000）

礦建工程項目施工過程中，巷道掘進作業是其重要組成部分，通過總結大量實際施工案例發現，巷道圍巖掘進受到多種因素的影響，為保證巷道圍巖的穩定性，運用錨桿支護技術，可提高掘進效果，改善作業環境，降低施工風險，提高經濟效益。錨桿支護主要發揮減跨、懸吊、加固等作用，能夠有效提升礦建項目巷道的穩定性，加強巖層抗剪強度，將錨桿支護技術應用到礦建工程施工中，不僅能夠提高支護施工效率，還能強化巷道支護的效果，對提高巷道掘進速度具有明顯幫助。

一般來說，與傳統棚式支護方法相比，錨桿支護機械化程度更高，掘進效率高，并且能夠有效避免錯誤施工情況，節省大量人工成本。

1 煤礦礦建工程巷道錨桿支護技術的特點

（1）機械施工，提高施工效率。對于礦建工程而言，既往多采用棚式支護技術，此種支護技術應用范圍廣，在礦建工程巷道掘進中發揮良好的支護效果。但是，棚式支護技術勞動強度比較大，時間和成本控制比較困難，無法滿足現實生產需要。隨著科學技術的不斷發展，錨桿支護技術逐漸被應用到礦建工程巷道掘進支護中，此支護技術機械化水平比較高，可顯著減少施工勞動力的投入，提高掘進效率[1]。

（2）方案合理，降低施工成本。傳統礦建工程項目巷道施工周期長，不利于施工成本對控制，科學技術的發展，實現了礦建工程巷道的快速施工。經過多年的實踐應用，錨桿技術不斷發展，通過對復雜巷道頂巖應力場的科學分析，制定更加合理的支護方案，保證施工有序開展，并且在機械化錨桿支護施工的帶動下，進一步保證巷道掘進的安全性，減少巷道掘進施工風險，減少不必要的成本支出[2]。

（3）圍巖加固，保證支護強度。礦建工程巷道掘進施工過程中，軟弱圍巖會增加施工難度與風險，從而對巷道掘進的順利開展造成不良影響。采用錨桿支護技術后，巷道圍巖結構強度能夠得到有效增強[3]。通常，在使用高強度錨桿支護技術的同時，結合錨固劑，高強度加固巷道周圍的巖層，從而保證圍巖加固效果，提高支護強度，為礦建工程巷道掘進提供更多便利條件，滿足后續生產需要。

（4）應用靈活，滿足施工要求。對于礦建工程巷道掘進施工而言，采用錨桿支護技術進行支護，不僅可以發揮上述施工優勢，同時因錨桿支護技術更具靈活性，適用于不同形式巷道圍巖支護場景。在支護前，結合巷道圍巖特點，靈活設計錨桿支護方案，確定支護形式，從而滿足巷道掘進施工需要[4]。對于復雜巷道工況，對其進行科學計算和詳細分析，發揮錨桿支護技術的靈活優勢，對提高施工質量，減少施工風險具有重要意義。

2 工程案例

（1）原支護方案分析。以某礦建工程巷道施工項目為例，對其Ⅲ號煤層工作面支護情況進行分析。該煤礦開發時間比較長，最早可追溯到2004年，經過多年運行，目前已有可工作礦井4個，Ⅲ號煤層在長期工作使用中，煤層支護出現一定問題，如果不及時對其進行整修，很難保證巷道正常挖掘。Ⅲ號煤層原巷道頂層巖石結構主要包括細沙巖和細粒砂巖，厚度0～40.36m，平均厚度達到16.98m，局部夾雜細粒砂巖薄層，含有植物化石碎屑、白云母碎片，出現小型交錯和水平層理。開礦初期，采用傳統掘進錨桿順槽支護方案，巷道掘進高度2.9m，支護寬度4.5m。經過長期使用，巷道支護結構出現問題，為避免現有支護結構出現安全事故，決定對Ⅲ號煤層原有錨桿支護方案進行優化。

（2）新支護方案分析。由于Ⅲ號煤層開發時間比較長，為保證新支護方案更加符合實際需要，對周邊地質、地理環境開展詳細勘查，并對原巷道幾何和圍巖條件進行詳細分析，確保支護方案科學合理。通過調查和分析結果認為，原巷道掘進高度2.9m，支護寬度4.5m，但實際巷道橫截面積為13.23m2，說明圍巖條件良好，并且巷道基礎跨度比較低，適合對支護結構進行改進[5]。與此同時，原巷道頂層圍巖中，頂板位置分布薄層狀砂質泥巖（厚度在12.5m左右），且煤層厚度4.5m～6.6m之間，圍巖結構頂板厚度＞3m，為整體支護提供便利。經過慎重分析認為，新設計支護方案具有可行性。原支護方案與新支護方案的對比見表1。

表1 原錨桿支護與新錨桿支護方案的不同

在對新支護方案進行設計時，考慮到在實際設計過程中，巷道內頂板位置巖層厚度可能對支護結構所產生的影響，因此對頂板受力狀況進行分析，保證設計合理，避免發生巷道頂板變形。在實際支護過程中，新方案決定以錨桿為主、錨索為輔的支護原則，改進原錨桿支護技術，確保后續Ⅲ號煤層巷道掘進的安全性與穩定性。

3 施工準備

（1）圍巖加固。在進行新支護方案過程中，針對巷道頂層圍巖做好變形控制，完善施工準備，并及時組織相關人員開展超前支護，對圍巖進行加固處理。為此，對周圍圍巖特點進行詳細分析，根據實際情況確定支護方式，最大程度上降低對圍巖的擾動，避免頂層圍巖損傷。不僅如此，施工前，充分利用TSP、超前地質預報，結合Ⅲ號煤層工作面情況，對頂層圍巖相臨段落地質特點進行準確分析，結合分析結果，制定軟巖加固方式，并且明確支護具體施工方法[6]。此外，為進一步保證施工安全性和穩定性，在開展圍巖加固時，開展全過程動態管理，加強施工管理，并且密切監控圍巖變形情況，以此來確定支護形式。根據施工現場情況，總結頂層圍巖性質，將結果與圍巖變形監測記錄一并反饋給設計單位，及時對施工設計參數以及施工方案進行科學調整，確保新錨桿支護方案能夠更好的解決現有問題[7]。

（2）確保支護強度。原有錨桿支護結構比較分散，為避免此種情況，保證新支護方案更加安全、高效，新方案關注錨桿支護結構體系的完整性，并且做好配套措施準備。為避免頂層圍巖發生變形，保證支護剛度，不僅要控制變形，還要采取一定措施對支護結構對穩定性進行加強。本工程采用減小鋼架間距、增加支護厚度、加大支護鋼架型號等方式，強化支護強度通過加大鎖腳小導管的長度，保證支護錨固系統能夠穿過松動圍巖圈，并且錨固在力學性能相對較好的圍巖上[8]。該工程除了增加鎖腳小導管長度和數量，也選擇強度比較高的鎖腳導管，將原有的小導管調整為鋼花管，并且對薄弱環節以及注漿施工進行嚴格的施工質量控制。增加拱架支撐點和面積，分散拱壓力，保證支護整體受力均勻，盡量避免支護沉降。值得注意點是，擴大拱腳時應保證拱腳本身的強度，如擴大拱腳造成支護結構受力破壞，則無法發揮其作用。

（3）加厚錨桿托板。在實施新支護方案前，對巷道頂層圍巖應力情況開展調查，結果發現，應力主要來自圍巖自身重力，這種情況有利于巷道穩定性。通過計算，圍巖應力涵蓋覆巖體積力為24.7kN/m3，原巖應力為8.638MPa，證實巷道施工埋深相對較淺。錨桿托板在錨桿支護結構體系中發揮重要支撐作用，可抵抗一定壓力[9]。即使本工程巷道頂層圍巖應力情況良好，但巷道掘進時刻處于動態變化之中，并非完全安全，為避免冒頂事故，新支護方案中采用錨桿托板，并進行加厚處理，發揮良好的抗壓作用。

4 巷內支護

（1）基本支護。新支護方案形成后，做好各項準備工作，然后開展巷內支護，巷內支護首先開展基本支護，從以下三個方面對巷內基本支護進行分析說明。其一，確定支護形式。大量工程實踐反饋，基本支護過程中，要兼顧到圍巖、支護局部結構收斂變形比，并對其進行控制，避免超過規定范圍，結合局部圍巖狀況，加強支護的整體強度。為降低施工成本，新支護方案采用增加預應力和強力錨桿的方式，對巷道周邊位置進行分離和擴散，避免局部位置發生變形，并且在結構力學性能差的圍巖部位預留變形量最大程度，防止圍巖支護發生變形侵線表現[10]。其二，正確選擇材料?？紤]到圍巖經加固后，也有可能存在圍巖、支護結構整體沉降情況，導致整體結構變形或者出現圍巖破壞。經過詳細分析認為，出現上述情況的主要原因在于支護剛度不夠，而初支整體沉降的原因是錨固受力桿件錨固在松動圍巖圈上，缺乏與力學性能較好的圍巖有效結合，導致受力不均勻。為此，合理選擇支護材料，使用延展性、柔韌性良好的支護材料，在主體錨桿和錨索之間發揮輔助作用。其三，明確支護參數。采用數值模擬技術方法，與巷道實際情況進行比較，確定錨索、錨桿支護的具體參數。一般情況下，直徑22cm、長度2.5m左右的樹脂材料錨桿，就可完成一次性加長（或錨固）[11]。為保證支護效果，對鋼帶以及金屬保護頂部開展一次性加固處理。

（2）加強支護。通常，要想保證巷內頂層和周邊圍巖的穩定性，并且確保巷道掘進作業更加安全高效，需要對支護結構進行改進，完善支護技術，在做好基本錨桿支護的前提下，開展加固支護。加強支護過程中，在對巷道雙側位置開展挖掘作業時，巷道本身可能受到掘進作業區域范圍內占地積上壓力的影響，或者因為巷道兩側填充物強度不足，而對正常掘進造成嚴重影響。為解決上述問題，采用單體支柱搭接與頂梁相連模式，通過對巷道頂板加強支護的加固，最大程度避免頂層沉降，并且控制巷道頂板巖層離層現象，保證頂板結構的完整性。不僅如此，采用單體支柱搭接與頂梁相連模式進行加強支護，還能增加巷道掘進作業面的空間，保證施工更加安全順利。除了上述加強支護方法外，在實踐中也廣泛應用專門設計的加強型支護液壓支架，Ⅲ號煤層巷道支護就采用了此種工具，該支護體系主要由底座、立柱、頂梁以及四連桿組成，使用此種支架后，可實現推拉自由移動。

5 巷旁支護

（1）錨索施工。巷旁支護是礦建工程巷道掘進支護中常見的支護形式，目的在于進一步加強錨桿支護效果，并且采用充填式巷旁支護，通過此種支護形式，避免結構變形，并且解決特殊情況下相應的支護要求。結合實踐施工經驗認為，要想充分發揮充填式巷旁錨索支護形式的效果，需要嚴格按照施工要求，準備好錨索、錨桿等材料。其中，錨索施工過程中，注意盡量避免采用鉆孔機進行鉆孔，這是因為考慮到可能出現松軟飽水、破碎的巖層，為避免坍塌縮孔，采用跟管鉆進技術，錨索鉆孔直徑130mm，并且采用潛孔鉆干鉆作為成孔方法，結合巷道巖層以及巖性情況，控制鉆孔速度，避免發生鉆孔變徑以及扭曲等現象，預防意外事故，為順利下錨提供便利條件。錨索安裝高強度低松弛育預應力鋼絞線，并且正確選擇錨具，在鋼絞線自由段涂抹黃油，同時采用波紋管外套在鋼絞線上，發揮防腐作用。每隔1m設置錨固段架線環與緊箍環，緊箍環不少于2圈。為保證鋼絞線順直，在自由鍛設置架線環[12]。

（2）錨孔注漿。錨索束正確放入后，及時對其進行注漿，采用水泥砂漿進行灌注（1:1水泥砂漿，水灰比控制在0.40%～0.45%）。本工程采用孔底注漿法進行施工，注漿壓力控制在0.6MPa～08MPa，保證注漿的連續性，中途禁止停止注漿，保證錨孔注漿密室、飽滿。首次注漿結束后，水泥砂漿在24h開始凝固收縮，及時進行補漿。為保證注漿施工質量，注漿用的水泥砂漿隨拌隨用，并且攪拌均勻。錨孔注漿需要做好詳細記錄，注漿完成后，對注漿用具進行仔細清洗，包括注漿槍、注漿套管以及注漿管等。觀察錨孔灌注的水泥砂漿達到設計強度的80%后進行錨索張拉。

（3）預應力張拉。本工程錨具底座頂面與鉆孔軸線保持垂直，這樣能夠保證錨索預應力張拉過程在同一個軸線上。在張拉前開展現場試驗，從而確定錨索預應力張拉鎖定的施工工藝。有研究認為，嚴格根據施工要求，預應力張拉與鎖定均采用分級方法比較合理。設計張拉完成7d～10d后，根據現場情況開展補償張拉，繼而鎖定。一般情況下，錨索安裝并且張拉后，不會發生太大受力變化，在距離掘進面21m左右時，錨索受力基本上保持穩定。煤壁所在位置須沿巷道長度5cm，向下3cm的范圍內進行巷道挖掘、拓寬，并實施錨桿支護。螺紋鋼錨桿橫向支護時，要分別確定好錨桿橫向排距直徑、長度，間隔式排距1m×9m，并且使用金屬網、鋼帶對錨桿支護結構進行保護。

6 支護效果分析

本工程在錨桿安裝并施加一定預應力后，一段時間內受力情況發生微妙變化，有變小趨勢。伴隨Ⅲ號煤層巷道掘進工作面的推進，在距離掘進面19m后，錨桿受力才逐漸增大，在距離掘進工作面120m左右時受力趨于穩定。通過觀察和記錄發現，錨桿安裝直至受力穩定的整個過程中，全程預應力錨桿錨固受力變化范圍可控，多數錨桿受力變化范圍＜5kN，部分錨桿受力變化范圍在7-8kN左右（表面位移曲線如圖1所示）。

圖1 Ⅲ號煤層巷道掘進表面位移曲線

掘進期間，巷道變形量小，圍巖完整，錨桿、錨索受力變化在可控范圍之內。拱頂部位錨桿受力較小，兩幫錨桿受力明顯高于拱頂部位，部分達到了錨桿的屈服極限。但是，巷道所有錨桿施加較高的預緊力，實際上有利于維持圍巖的穩定性，并且提高抗擾動能力。

7 總結

通過總結工程實例相關情況認為，礦建工程巷道掘進工況復雜，施工難度較大，采用錨桿支護技術，可發揮明顯的施工效益。為進一步保證巷道圍巖支護效果，需要結合礦建工程巷道實際情況，制定更加詳細合理的施工方案，并對錨桿支護技術進行改進，最大程度發揮錨桿支護技術的支護優勢。在實際施工過程中，要對施工現場地質條件進行詳細調查，結合調查結果，對圍巖特征、變形發展等情況進行明確，制定更加穩妥的支護方案。在此基礎上，完善施工現場管理，加強施工工藝流程的監督。在實際工作中，針對巷道軟弱圍巖，制定更加科學的錨桿支護方案，發揮良好的施工效果。