底角錨桿作用效果的現場試驗研究

孟德軍，經來旺，苗育生，郝朋偉，盧小雨，江向陽

(1.中國礦業大學(北京)，北京 100083；2.安徽理工大學，安徽 淮南 232001；3.淮北礦業股份有限責任公司楊莊煤礦，安徽 淮北 235025)

長期以來，軟巖巷道底臌一直是我國煤礦生產過程中十分頭痛的問題，雖然眾多專家、學者獲得了許多研究成果[1-7]，但并未能從根本上解決這一問題。底臌現象之所以難以消除，除了存在有某些特殊的客觀原因之外，但主要的原因還在于人們對底臌發生的力學機理尚沒有完全認識清楚，對于巖體移向巷道的動力來源及其移動規律尚沒能完全揭示，由于篇幅的原因，關于底臌發生的力學機理，將在其他文章中進行專門介紹，本文僅就底臌發生機理的一項研究成果——底角錨桿的現場應用情況進行公開，希望能夠為煤礦軟巖巷道底臌的治理提供一個較好的參照。

本文的研究背景是淮北礦業股份有限責任公司楊莊煤礦IV53采區軌道下山，具體研究的內容包括工程地質概況、支護方案設計、底角錨桿施工要點、底角錨桿加固圍巖效果監測。

1 工程地質概況

回風下山服務對象為IV53采區，IV53采區位于井田深部，西邊界以III53采區邊界為界；東南以III53采區為鄰，北至楊莊與朱莊礦礦界。該采區上部為III53采區。采區南北平均1000m，東西平均700m。面積0.7km2。IV53采區地質構造主要以褶曲和巖漿巖侵入為主。整個采區煤巖層產狀變化較大，總體為向斜構造，近圓盆。

服務于IV53采區的下山巷道共有4條。4條下山相互平行，分別是回風下山、運輸機下山、回風下山、人行下山。下山間距從南向北依次為：人行下山與軌道下山間距25m，軌道下山與回風下山間距為30m，運輸機下山與回風下山間距為25m。

回風下山上部位于III53人行下山以東，下部位于向陽溝向斜軸附近，方位288°，布置在5煤底板下20～35m，下山傾角21°，斜長415.2m。

整個回風下山巷道圍巖巖性較差，以砂質泥巖為主。

特殊的地質條件使得楊莊礦IV53采區回風下山具有一些其他巖石巷道不具備的特征，具體表述如下：

1) 上部20～35m為5煤煤層，所以煤層開采不僅會給該巷道帶來很大的動壓，而且煤層開采后應力重新分布也會引發巷道較大的變形，故巷道支護必須具備抗動壓能力；

2) 巷道位于向陽溝向斜軸附近，而向斜軸附近通常是相應地層中構造應力較大的地方，向斜軸為南北走向，而回風下山方位為288°，所以回風下山無疑將受到該區域接近最大值的構造應力影響，所以巷道支護必須具備抵抗構造應力的能力；

3) 回風下山的南邊是人行下山，北邊是回風下山，平行間距分別是25m和30m，巷道開拓會對周圍巖體的應力分布產生影響，回風下山則處于南北兩條下山的影響范圍之內，盡管這種影響弱于上面兩方面的影響，但巷道支護仍需考慮；

4) 回風下山穿越的巖體大多為砂質泥巖，砂質泥巖侵水后強度會數倍下降，故巷道支護設計中絕不能忽略這一問題。

2 支護方案設計

2.1 錨網巷道支護斷面

斷面形狀：直墻半圓拱,斷面規格：凈寬×凈高=3800mm×3400mm， S掘=14.8m2。

2.2 支護設計

2.2.1 試驗段支護設計

支護形式：采用全斷面錨網支護。

支護參數、規格、材料：①幫頂錨桿采用M22mm L2200mm高強螺紋鋼錨桿，間排距800mm×800mm，錨桿托盤為8mm×150mm×150mm的鋼板冷軋碟型盤，錨桿按矩形布置。

底角錨桿采用M22mmL2400mm高強螺紋鋼錨桿，排距600mm，與水平成45°。

錨固劑均采用Z2550型樹脂卷，每眼2根樹脂卷。錨桿預緊力距不小于300N·m，錨桿錨固力不小于120kN；②鋼筋網采用Φ6mm圓鋼焊接，規格：900mm×1700mm；③噴射混凝土配比嚴格按水泥∶黃沙∶瓜子片=1∶2∶2進行配比(體積比)，水灰比0.4～0.5，

采用425#硅酸鹽水泥，速凝擠摻量為水泥重量的4%。噴漿厚度：初噴30mm，復噴后總厚度為150mm，墻腳基礎深度不小于100mm，復噴前必須灑水沖洗噴層表面，復噴距迎頭30m。

2.2.2 非試驗段支護設計

非試驗段除了無底角錨桿之外，其余同試驗段。

3 底角錨桿施工要點

3.1 施工底角錨桿存在問題

底角部位是巷道圍巖中應力集中程度最高的地方，環向集中應力很大，由于圍巖軟弱、破碎，直接打鉆極難成孔，往往鉆頭鉆至1500mm處，由于圍巖抱鉆等因素，施工往往被迫停止，即使偶爾僥幸鉆至孔底，一旦鉆桿拔出鉆孔，鉆孔即刻撮合，錨桿無法安裝。

3.2 底角錨桿施工方法

為了底角錨桿孔能夠順利成孔，在鉆孔前24h，對幫底交界部位實施注漿處理，漿液水灰比0.7∶1，注漿孔深度1200mm，注漿時間以5min為宜，由于底角部位巖體破碎，故該注漿一般均是無壓注漿。注漿孔可用風錘造孔。

注漿24h后，利用風錘即可快速鉆至2400mm處，且不會再有抱鉆、撮孔情況發生。錨桿錨固的方法與巷道幫頂部位錨桿的錨固方法無異，但托盤下必須用混凝土(或快干水泥)填實。

4 底角錨桿加固圍巖效果

4.1 測點布置

為了獲取較為全面的數據來了解“底角錨桿”的加固效果，此次觀測在回風下山內相隔50m 各取2段巷道，第一段沒有設置底角錨桿，第二段設置有底角錨桿。每段巷道各布置5個觀測測站，測站間距10m，如圖1所示。每個測站包括兩幫幫底、兩幫拱腳和頂底六個觀測測點，其中兩幫幫底的測點距離軌道面200mm，兩幫拱腳的測點距離軌道面1200mm，如圖2所示。其余四個測點布置如圖3所示。

圖2 幫部測點布置示意圖

圖3 測點布置示意圖

幫部測點由錨桿頭充當，使用時先將外漏錨桿退錨，再用12#鐵絲在錨桿端部擰設大小合適的鐵環，而后將錨桿重新錨固以固定鐵環。頂底測點的設置比較麻煩，需在地面加工長300mm且一端端部帶鉤的鐵釬。安裝時，需用錨桿鉆機在預定位置打孔，并配合快速水泥將測點固定。

4.2 測試結果

巷道測試結果如圖4～6所示。

圖4 巷道幫部日變形量

圖5 巷道幫底日變形量

圖6 巷道頂底日變形量

4.3 測試結果分析

由圖4～圖6所知，由于底腳錨桿的作用，巷道頂底移近量僅為原來的1/10左右，幫部移近量降低了近40%，幫底移近量降低了近1/3，足以說明底腳錨桿對巷道變形的控制效果。

5 結語

1)楊莊煤礦IV53采區軌道下山測試結果表明，底角錨桿控制底臌效果顯著。

2)底角錨桿控制底臌的效果并不是對所有情況下的軟巖巷道都是一樣的，它涉及巷道所處巖層地應力的大小、方位，巷道上下一定范圍巖層的物理力學性質、所處巖層的傾角等。

3)本文研究的對象是一個下山巷道，其最大的特征是底板無游離水的存在，這與一般的水平巷道是完全不一樣的，一般的水平巷道底板中含有大量的游離水，這對泥質底板的承載強度存在巨大的影響。對于一般的水平巷道，底角錨桿的效果不及上下山巷道，治理底臌時尚需考慮其他手段。

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