不同注漿錨索直徑對圍巖變形的影響研究與應用

嚴躍龍

（永貴能源開發有限責任公司新田煤礦，貴州 畢節 551500）

圍巖變形問題長期困擾著工程人員。部分學者基于彈塑性理論分析了深部巷道塑性區并優化了原始參數[1]。一些學者通過理論分析和數值模擬等手段，分析了軟巖巷道圍巖變形規律和變形破壞特征，對巷道支護方案進行了優化模擬[2-4]。但是軟巖問題還未得到根本解決，許多問題還有待進一步地探討[5-8]。本文基于永貴能源開發有限責任公司新田煤（簡稱“新田煤礦”）礦1404 工作面，研究不同注漿錨索直徑情況下，工作面前方不同位置處位移、應力等參數變化。以期為注漿錨索在煤礦巷道掘進圍巖支護中的應用提供借鑒。

1 工作面概況

1404綜采工作面煤層總體呈0～10°單斜構造，地質條件較簡單，本工作面沿煤層傾向俯采有寬緩起伏和小褶曲。相鄰巷道共揭露落差較大斷層3 條，其中F1402-2斷層落差較大，斷層兩盤巖層傾角變化大，對回采影響較大，該斷層在1404軌道順槽亦曾揭露。煤層頂底板構造如表1所示。

表1 煤層頂底板情況表

2 原超前支護方案與錨注性分析

2.1 原超前支護方案

1404 運輸巷沿煤層頂板掘進，巷道全長1 187 m，埋藏深度約為450 m。斷面為矩形斷面，設計凈寬為4 800 mm，凈高為3 000 mm。

頂板支護用φ22 mm×2 500 mm高強錨桿，錨桿間排距850 mm×800 mm，每根錨桿配MSCK2835 樹脂錨固劑1 支與1 支MSZ2835 樹脂錨固劑；幫部支護選用φ22 mm×2 000 mm 高強錨桿，錨桿間排距840 mm×800 mm，每根錨桿配備MSCK2835 樹脂錨固劑1 支與MSZ2835 樹脂錨固劑1 支；鋼筋網用φ6.5 mm 鋼筋焊接而成，規格1 000 mm×2 000 mm，網與網之間采用14#鐵絲雙股雙面連接綁扎牢固，綁扎間距200 mm，網與網之間搭接100 mm；W 鋼帶規格為4 600 mm×250 mm×5 mm，錨桿托盤規格為150 mm×150 mm×8 mm；錨索用φ21.6 mm×8 200 mm 鋼絞線制作而成，間排距1 700 mm×1 600 mm，每根錨索配備MSCK2835樹脂錨固劑1 支和MSZ2835 樹脂錨固劑5 支，錨索托盤為鋼板加工，錨索外露長度150～250 mm。支護剖面圖如圖1所示。

圖1 1404運輸巷超前單體支護剖面圖（單位：mm）

2.2 1404運輸巷錨注性分析

針對頂板φ22 mm×2 500 mm 的高強錨桿和幫部φ22 mm×2 000 mm高強錨桿，采用拉拔設備進行了錨桿索錨固力監測，頂板錨桿和幫部錨桿各進行了4 次拉拔試驗，每根錨桿配MSCK2835 樹脂錨固劑與MSZ2835樹脂錨固劑各1支。得出頂板錨桿的拉拔力分別為150 kN、155 kN、155 kN、150 kN，平均拉拔力為152.5 kN，滿足頂板錨桿設計預緊力150 kN要求，合格率100%；得出幫部錨桿的拉拔力分別為110 kN、105 kN、105 kN、100 kN，平均拉拔力為105 kN，滿足幫部錨桿設計預緊力100 kN要求，合格率100%。

受1404底抽巷水力沖孔影響，1404運輸巷圍巖較為破碎，結構不完整，圍巖節理裂隙發育豐富，具有良好的可注性。根據現場已施工的注漿錨索注漿情況：巷道圍巖條件良好時每孔可注漿料50～100 kg，漿液擴散良好；巷道圍巖條件破碎時每孔可注漿料250 kg以上，深部圍巖存在跑漿情況。

3 不同注漿錨索直徑下超前段圍巖變形控制效果

據實際煤層埋深以及巖層分布情況建立數值計算模型。模型在空間上分x、y、z三個方向，與實際開采情況比較，工作面推進方向在模型中為x方向，工作面走向方向為y方向，豎直方向為z方向，模型在空間尺寸上x方向64.8 m，y方向200 m（x和y組成水平面），z方向為60 m。模型計算采用摩爾——庫侖準則計算，數值模擬計算模型的巖體力學參數如表2所示。

表2 數值模擬計算模型的巖體力學參數

當注漿錨索直徑為22 mm 時，回采工作面煤壁處巷道垂直位移云圖如圖2所示。從圖2中可得，當注漿錨索直徑為22 mm 時，工作面煤壁處巷道頂板最大下沉量為91 mm，底鼓量最大為150 mm。

圖2 φ22 mm注漿錨索工作面煤壁圍巖垂直位移

為更加直觀反映不同注漿錨索直徑下的圍巖控制效果，對模擬云圖中相關參數值進行提取，得到不同注漿錨索直徑下的頂板下沉量、巷道回采側變形量，其中回采側變形量模擬結果統計如圖3所示。

圖3 不同注漿錨索直徑下巷道圍巖和頂板下沉量

隨著超前工作面距離的增加，巷道超前段回采側變形量先增大后減小，峰值位于超前工作面5 m 處。頂板變形量隨著超前工作面距離的增加不斷降低。錨索直徑從14 mm 增加到22 mm 時，頂板變形量最大降低37 mm，降低幅度達到了34%（超前工作面距離為5 m 時）。回采側變形量最大降低29 mm，降低幅度達到了35%（超前工作面距離為5 m 時），表明采取更大直徑的注漿錨索可改善巷道圍巖變形控制效果。

4 現場驗證及支護方案優化

根據工作面的推進情況，設計在距離1404工作面的切眼250 m 處布置一個200 m 的測試段。試驗段分為A、B 和C 三部分。試驗段A 中的錨索直徑為14 mm，試驗段B 中的錨索長度為18 mm，試驗段C 中的錨索寬度為22 mm，試驗方案如圖4所示。

圖4 1404運輸巷工業性試驗方案示意圖

掌握工作面礦壓規律是巷道支護設計和確保礦井安全生產的前提和基礎。通過對巷道圍巖變形和錨桿（索）應力的監測分析，能夠獲得工作面開采過程中圍巖壓力的變化規律，為注漿錨索代替單柱超前支護方案的參數確定和優化提供了依據。對1404 工作面運輸順槽超前支護段錨索受力情況進行觀測。利用壓力計測量其受力大小，錨桿（索）受力監測采用MCS-400礦用本安型錨桿（索）測力計，1404工作面運輸順槽超前區支承壓力分布規律與模擬結果基本一致。表明使用更大直徑錨索能夠改善圍巖附近變形效果。

根據不同支護參數超前段圍巖變形控制效果模擬結果，結合1404 運輸巷現場頂板情況，考慮漿液擴散半徑的影響，確定了工作面注漿錨索超前支護初步方案：巷道頂板每排布置3根注漿錨索，錨索間排距初步定為1 700 mm×1 600 mm。注漿錨索規格為φ22 mm×8 500 mm，錨索垂直于頂板布置。采用MSCK2835（里段1根）、MSZ2835（外段5根）樹脂錨固劑進行錨固；錨索預緊力不低于200 kN；采用規格為300 mm×300 mm×16 mm高強度鼓形托盤。可根據現場地質條件及支護效果對支護參數進行優化。

巷道回采側布置φ22 mm×2 500 mm 的高強錨桿護幫，間排距840 mm×800 mm；非回采側布置φ22 mm×4 250 mm的注漿錨索對巷幫進行注漿加固，間排距1 680 mm×1 600 mm。經過測量發現優化后的巷道頂板、兩幫變形量均較之前有所降低。支護設計如圖5所示。

圖5 錨桿（索）測力計安裝剖面圖（單位：mm）

5 結論

對不同直徑錨索下巷道圍巖支護效果進行了數值模擬和現場驗證，并依據研究結果優化了1404工作面巷道，得出以下結論：

1）在錨桿直徑為18 mm 和22 mm 時，隨著同工作面距離的增加，巷道超前段回采側變形量先增大后減小，峰值位于超前工作面5 m 處。隨著同工作面距離的增加，巷道超前段頂板下沉量和底鼓量逐漸降低，且底鼓量始終大于頂板下沉量。

2）錨索直徑從14 mm 增至22 mm 時，頂板變形量最大降低37 mm，降低幅度達到34%（超前工作面距離為5 m時）。回采側變形量最大降低29 mm，降低幅度達到35%（超前工作面距離為5 m時）。表明采取更大直徑的注漿錨索可改善巷道圍巖變形控制效果。

3）根據不同錨索直徑頂板和回采側圍巖變形效果，結合現場實際情況，對1404 工作面巷道支護方案進行了優化。優化后巷道頂板和兩幫變形量均有所降低。該研究為煤礦巷道支護提供一定借鑒經驗。