強動壓巷道超高強柔性錨桿支護技術研究

曹建來

（山西潞安環保能源開發股份有限公司 五陽煤礦，山西 長治 046200）

0 引 言

我國煤礦以井工開采為主，需要在井下掘進規模巨大的巷道工程[1]。近年來，隨著開采規模的日益增大，煤礦巷道圍巖應力逐漸增加，使得控制巷道圍巖穩定性存在許多難題[2]。在巷道掘進過程中，最初的支護設計容易出現考慮因素不全面的情況，導致支護巷道圍巖變形量較大，難以滿足現場實用需要，需對支護參數進行優化研究[3-6]。

巷道圍巖穩定是保證煤礦安全高效生產的前提[7]。隨著煤層埋深逐漸加大，開采引起的采動壓力對巷道支護的影響不斷增加，導致巷道圍巖出現不同程度的損傷破壞，甚至引起巷道圍巖整體失穩。目前國內學者針對強動壓巷道支護問題做了大量試驗研究并取得了一定的成果。孫利輝等[8]分析了極軟煤體物理力學特征及破碎機理，提出了短錨索支護+長錨索補強的全錨索加固技術；趙國棟等[9]優化了水力壓裂方案，用主動+被動+改性注漿相結合的方式達到維護巷道穩定的目的；張占濤[10]等分析研究了受動壓影響煤柱內支承壓力分布特征及其內部巷道圍巖變形特征，提出了強力錨桿支護系統配合高強度托板和金屬網的支護方式；任碩等[11]研究了復合頂板錨桿預應力場分布規律，揭示了圍巖在軟硬不同巖性巖石中的應力傳遞效果，提出了“動態錨固- 應力擴散”的支護方案；周逸群等[12]計算了巷道頂板各巖層破斷形式，揭示了墻體載荷與采空區側向頂板懸臂長度的關系，采用注漿加固的方式實現了巷道圍巖重塑，使得圍巖恢復完整性。蔡峰[13]等揭示了圍巖強度低、強膨脹性、強吸水軟化、圍巖應力四周來壓、支護與圍巖變形不耦合的失穩機制，提出了錨梁結構強化頂板+恒阻錨桿加固兩幫+注漿錨固支護底角的恒阻讓壓耦合支護方案。本文針對五陽煤礦8005 運輸巷巷道支護時支護密度大、支護成本高、施工緩慢、受動壓影響較大等問題，使用超高強柔性錨桿進行支護，優化了支護參數，降低了回采巷道支護成本及多次返修的費用，保證了工作面安全快速推進，產生了較好的經濟效益和社會效益。

1 概 況

五陽煤礦開采80 采區，開采對象為山西組中下部的3 號煤層，8005 運輸巷位于80 采區南部，巷道從80 采區膠帶運輸巷開口，全長為1 983 m，工作面標高為+298—+403 m。其東部為80 采區準備巷道，南部為8006 回風巷，北部為80-0305 底抽巷，西部為實煤體。

老頂為細粒砂巖，厚5.55～7.05 m，平均6.30 m，巖性為灰色、中厚層狀，成分以石英長石為主，含植物化石，垂直裂隙發育，f=4～8。直接頂為砂質泥巖，厚2.32～3.97 m，平均3.15 m，巖性為灰黑色，塊狀，參差狀斷口，具豐富植物化石，f=2～4。直接底為砂質泥巖，厚1.29～4.53 m，平均2.91 m，巖性為灰黑色，塊狀，參差狀斷口，具豐富植物化石，f=2～4。老底為砂質泥巖、細粒砂巖及泥巖，厚4.90～6.35 m，平均5.63 m，巖性為灰色、中厚層狀，成分以石英長石為主，含植物化石，垂直裂隙發育，f=4～8。

2 8005 運輸巷超高強柔性錨桿支護方案

8005 運輸巷沿煤層頂板掘進，長1 980 m；巷道寬×高為5.5 m×3.8 m，8005 運輸巷支護布置情況如圖1 所示。

圖1 8005 運輸巷支護布置示意Fig.1 Support layout of 8005 transport roadway

2.1 頂板支護

2.1.1 超高強柔性錨桿支護

超高強柔性錨桿規格為MSRG1860-17.8/4300，桿體材料為1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，強度級別為1 860 MPa，直徑17.8 mm，長度為4 300 mm。

加長錨固，采用1 支MSK2335 和4 支MSM2360 樹脂藥卷錨固，鉆孔直徑30 mm，錨固長度2 495 mm。

超高強柔性錨桿布置：間距1 200 mm，排距1 000 mm，巷道每排打設5 根超高強柔性錨桿。

鋼筋托梁采用直徑16 mm 圓鋼焊接而成，寬度100 mm，長度4 950 mm。

超高強柔性錨桿托板采用高強度托板。托盤尺寸為：300 mm×300 mm×16 mm。

超高強柔性錨桿除左右2 根按與垂直面10°打設外，其余垂直頂板打設。

頂錨固扭矩400 N·m。

2.1.2 錨索支護

錨索形式和規格：長錨索材料為直徑21.6 mm，1×19 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度為6.3 m。

錨索錨固方式：加長錨固，采用1 支MSK2335 和2 支MSM2360 樹脂藥卷錨固，鉆孔直徑30 mm，錨固長度1 970 mm。

錨索布置：錨索間距2 000 mm，排距1 000 mm，全部垂直頂板打設。

鋼筋托梁采用直徑16 mm 圓鋼焊接而成，寬度100 mm，長度4 150 mm。

錨索托板采用高強度托板。托盤尺寸為：300 mm×300 mm×16 mm。

錨索全部垂直頂板打設。

錨索初次張拉時預張力不小于300 kN，損失后不得低于250 kN。

2.2 幫部支護

2.2.1 錨桿支護

錨桿形式和規格：選用型號MSGLW-600/22×2400 的金屬錨桿，桿體為超強熱處理左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號為CRM600，屈服強度600 MPa，桿體直徑22 mm，長度2.4 m，延伸率不低于20%，沖擊吸收功不小于40 J；錨桿尾部螺紋M24，螺紋段長120 mm。

錨固方式：采用2 支樹脂錨固劑加長錨固，錨固劑規格分別為MSK2335 和MSM2360，鉆孔直徑≤30 mm，錨固長度約為1 208 mm。

錨桿布置：錨桿間距850 mm，每排打設5 根，錨桿排距900 mm。

鋼筋托梁采用直徑16 mm 圓鋼焊接而成，寬度100 mm，長度3 550 mm。

錨桿采用高強度配套的拱形托板。托盤尺寸為：150 mm×150 mm×8 mm。

網片采用10 號鐵絲編織的經緯網護幫，網孔規格50 mm×50 mm，規格為3 600 mm×1 000 mm。用16 號鉛絲聯接，雙絲雙扣，孔孔相連。

錨桿間距850 mm，每排打設5 根，錨桿排距900 mm。

錨桿左右幫肩2 根按與垂直面10°打設，左右幫腳2 根按與垂直面10°打設，其余垂直巷道兩幫打設。

幫錨固扭矩300 N·M。

2.2.2 錨索支護

錨桿形式和規格：錨索材料為直徑21.6 mm，1×19 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度為5 300 mm。

錨固方式：采用3 支樹脂錨固劑加長錨固，分別為1 支MSK2355 和2 支MSM2360，鉆孔直徑≤30 mm，錨固長度約為1 970 mm。

錨索布置：工作面外幫采用“2-0-2”式每排2 根布置，排距1 000 mm，間距2 300 mm，距頂、距底均750 mm。內幫不布置錨索。

錨索托板采用高強度托板。托盤尺寸為：300 mm×300 mm×16 mm。

錨索全部垂直外幫打設。

錨索初次張拉時預張力不小于300 kN，損失后不得低于250 kN。

3 工業性試驗

對巷道支護設計優化后，為了評估支護方案的合理性，需要對巷道圍巖變形量、錨桿錨索受力進行監測，根據監測結果分析，如有需要，可適當調整支護參數。本項目設計對巷道表面位移進行監測，包括頂底相對移近量和兩幫相對移近量。在距離試驗巷道開口段50 m、100 m 位置共設計2 個監測測站，每個測站安設2 個監測斷面，監測斷面內采用十字布點法安設測點，測點的基點安設必須牢固。測試斷面布置的當天進行第一次測量，以后每天觀測1 次，20 d 后每2 d 觀測1 次。圖2、圖3為巷道支護參數優化后兩測站頂底板移近量及兩幫移近量變化規律。

監測結果如圖2、圖3 所示，使用了超高強柔性錨桿支護后，巷道受動壓影響減小。移進速度隨著時間的推移先快后慢，巷道兩幫和頂板移進量逐漸增加，測站1 頂底板移進量在22 d 達到265.1 mm 并趨于穩定，兩幫移進量在20 d 達到196.5 mm 并趨于穩定；測站2 頂底板移進量在20 d 達到258.1 mm 并趨于穩定，兩幫移進量在20 d 達到180.3 mm 并趨于穩定。由此可見，采用優化后的支護參數圍巖控制效果明顯，提高了巷道圍巖的自承能力，巷道掘出后圍巖穩定時間也大大縮短，巷道圍巖變形速度和變形量均得到了減小，有效地控制8005 運輸巷的有害變形，證實了超高強柔性錨桿支護技術優化方案的合理性。

圖3 2 號測站巷道表面位移Fig.3 Roadway surface displacement of No.2 station

4 結 論

（1） 本文針對8005 運輸巷巷道支護時支護密度大、支護成本高、施工緩慢、受動壓影響較大等問題，使用了超高強柔性錨桿支護技術進行支護，優化了支護參數，降低了回采巷道支護成本及多次返修的費用，保證了工作面安全快速推進，產生了較好的經濟效益和社會效益。

（2） 工業性試驗研究結果表明，采用超高強柔性錨桿支護技術和優化后的支護參數，提高了巷道圍巖的自承能力，圍巖控制效果十分明顯，提高了巷道承受動壓影響的能力，巷道掘出后圍巖穩定時間也大大縮短，巷道圍巖變形速度和變形量均得到減小，有效地控制8005 運輸巷的有害變形，證實了超高強柔性錨桿支護技術優化方案的合理性。