煤巷快速掘進中錨桿支護技術的研究

賈福亮

（晉能控股煤業集團晉華宮礦， 山西 大同 037000）

引言

巷道中錨桿支護可以起到懸吊、加固以及合成梁等作用[1]，不僅能夠改變巖體的受力情況，還可增加巖石的穩定性，使被支護巖體轉為承載體，進而提升巖體承載能力[2]。因此，錨桿支護技術具有勞動強度小、支護及時及對巷道圍巖變形適應性強等特點[3-4]。巷道圍巖控制的理論有：組合梁理論，煤巷中通過錨桿作用可將頂板巖層中的煤層進行錨固，使這些煤層產生組合梁作用，來使頂板巖層的抗彎曲能力提升，實現穩固煤巷巖層[5]；組合拱理論，位于壓縮拱內的巖石會受到切向和徑向等三向應力狀態，由于壓縮拱的形成不僅可以提高圍巖的強度，還可提升巖體的支護能力，保證巖體的承載能力[6-7]；最大水平應力理論，巷道圍巖承受的水平應力大于垂直應力，因此，巷道頂底板的穩定取決于水平應力的大小[8-9]。本文以某礦為研究對象，由于該礦斷面頂板強度低，本文在采用錨桿、錨索及鋼筋網的聯合支護形式后，對巷道表面位移及頂板離層等進行監測，從而驗證巷道支護的效果，進而實現巷道的快速掘進。

1 錨桿支護技術方案的設計

本文以某礦為例，該礦煤層頂板中的砂質泥巖層遇水極容易產生軟化膨脹現象，因此巷道的開挖和維護難度比較大。所以，針對該礦斷面頂板強度低，受采動影響顯著，本文選用錨桿、錨索及鋼筋網的聯合支護形式。

巷道具體支護方案為：頂部支護，頂板采用錨桿的規格是Φ20 mm×2 400 mm，錨桿間排距是1 000、1 000 mm，設置為6 根/m，配用蝶形鋼板托盤的尺寸大小是100 mm×100 mm×10 mm 及快速安裝螺帽。對于錨索，選用小孔徑預應力，規格是Φ17.8 mm×5 200 mm，錨索間排距是2 400 mm、4 000 mm，每4 m 配2 根，配用蝶形鋼板托盤的尺寸大小是300 mm×300 mm×16 mm。配套調心球形墊圈和鎖具。幫部支護，采用玻璃鋼錨桿，其規格是Φ18 mm×2 000 mm，錨桿間排距是1 000 mm、1 200 mm，配用蝶形鋼板托盤尺寸大小是100 mm×100 mm×10 mm 及快速安裝螺帽。此外，護頂和幫部支護選用網孔規格是100 mm×100 mm 的鋼筋網，鋼筋梯子梁與錨桿組合支護，且錨索進行補強支護。鋼筋網采用直徑大小是6.0 mm 的圓鋼焊接，并搭接100 mm 網片，相間200 mm 聯網兩道；鋼筋梯子梁采用直徑是12 mm 的鋼筋焊接而成。

由于煤礦巷道應用永久支護時間長，造成巷道頂板出現空頂的時間延長，對巷道的安全施工有極大影響，因此，本文還應用了弱化技術[10]，具體為：當巷道開挖后，立即對易失穩的頂板和兩頂角支護錨桿，并結合地質情況，在距迎頭10～30 m 區間內滯后安裝剩余的錨桿，保證機械設備前后能夠平行作業，可使永久支護占用巷道的時間大大降低，同時提高掘進效率。

2 錨桿支護效果的分析

為驗證上述采用錨桿支護方案的合理性，本文對巷道頂底板及兩幫位移量、頂板離層等進行監測，觀測其變化情況。

2.1 巷道表面位移監測

表面位移監測情況布置如下：距迎頭10 m 布置第1 測站，距離20 m 布置第2 測站，以后相間20 m設置1 個測站，總計10 個測站，且隨作業面掘進，對測站進行跟進布置。具體為每個測站斷面的頂底板、兩幫中心位置各布置1 個測點，本文采用“十字法”監測頂底板、兩幫位移的變化量，并結合鋼卷尺或者測桿測量。下頁圖1 為表面位移監測情況布置圖。

圖1 表面位移測點布置圖

本文對掘進巷道距離迎頭10 m、20 m 兩個測站的圍巖表面位移進行監測，得到下頁表1 所示的結果及下頁圖2、圖3 所示的位移速度變化曲線。

圖2 第1 測站巷道位移速度變化曲線

圖3 第2 測站巷道位移速度變化曲線

從表1 中可對比看出，巷道整個掘進期內，圍巖頂底板及兩幫變形均比較小，且都在可控范圍內，僅在監測前幾天，巷道位移變化量比較顯著，后逐漸趨于穩定，且當監測7 d 后，圍巖位移不再發生變化。此外，從測站1 和2 還可對比看出，越接近作業面的迎頭，位移變形量越顯著。

表1 巷道表面位移監測結果

從圖2 和圖3 中可看出，巷道變形歷經急劇變形、平穩變形和基本穩定三個階段，第1 和第2 測站巷道兩幫變形曲線均比頂底板曲線高，這就表明頂底板下沉量小于兩幫位移量。且巷道開挖7 d 后，巷道圍巖變形量小，頂底板總位移量不大于3 cm；兩幫總位移量不大于4 cm，表明該錨桿支護選取的參數合理，能夠實現巷道掘進期內的穩定安全。

2.2 巷道頂板離層監測

為避免頂巖石和上部堅硬巖石發生層間位移，直接導致頂板冒落事故的發生，對頂板動態進行監測，避免離層現象的產生。本文在距掘進巷道迎頭6 m 和12 m 安裝頂板離層指示儀，且每相間100 m 安裝離層儀和記錄牌板。每個測孔安裝兩個基點，淺部基點約3 m，深部基點約8 m。通過對頂板觀測得到表2 所示的結果，其中，LY-01 至LY-04 為巷道頂板離層監測點，安裝數據為測點初始頂板離層量。

表2 頂板離層監測分析表

從表2 中可看出，監測區間內，該礦巷道頂板整體上能維持穩定，本文中第2 測站屬于斷層監測位置，在巷道掘進過斷層時，該測站出現頂板離層現象較小，且應用補打錨索加強支護后，能夠對圍巖滑移進行很好的控制，表明錨桿支護選取的參數合理，能夠實現巷道掘進期內的穩定安全。

3 結論

本文以某礦為對象，由于該礦斷面頂板強度低，本文選用錨桿、錨索及鋼筋網的聯合支護形式，為驗證巷道支護的合理性，對巷道頂底板及兩幫位移量、頂板離層等進行監測，結果表明：

1）整個掘進期內，巷道變形量比較小，且都在可控范圍內，巷道變形歷大致經歷三個時段：急劇變形、平穩變形和基本穩定階段，說明初始階段圍巖運動激烈隨后趨于穩定。

2）在巷道開挖7 d 后，巷道圍巖變形量均比較小，頂底板總位移量不大于3 cm；兩幫總位移量不大于4 cm，表明該錨桿支護參數選取合理，能夠實現巷道掘進期間的穩定安全。