均壓支護技術的研究與應用

李軍壘 陳志剛

（平煤股份十礦，河南 平頂山 467013）

均壓支護技術的研究與應用

李軍壘 陳志剛

（平煤股份十礦，河南 平頂山 467013）

為了改善深部礦井煤巷因質地條件復雜，造成的巷道變形破壞嚴重的狀況，鑒于以往的工程實踐效果，通過均壓方式實現所有錨網索共同承載圍巖應力，并經現場實施及結果觀測，均壓技術有效地提高了錨桿和錨索的共同承載力，增加了巷道支護強度。

高地壓；錨網支護；均壓

平煤股份十礦戊9.0-20160工作面機巷沿戊9煤層頂板掘進，與戊9.0-20180采空區間距4.5m，巷道處于采動應力上升區。戊9.0-20160工作面機巷煤層傾角6°～10°，平均8°，煤層厚度2.5～3.8m，平均2.9m，在煤層中部含有一層0.15～0.30m厚的泥巖夾矸。工作面煤層直接頂板為灰黑色泥質粉砂巖，裂隙發育，含植物化石，厚1.5～8.0m；老頂為灰色細粒砂巖，鈣質膠結，致密堅硬，厚15m左右。煤層直接底板為灰黑色泥巖，遇水膨脹。

1 采用普通錨桿支護存在的問題

采用普通錨桿支護存在著較多問題，如：巷道支護效果差，個別錨桿索“偷懶”，支護系統讓壓性能差，錨桿預應力低，表面支護強度低。

總之，錨桿索強度與之輔助的盤、錨固劑、錨索相互匹配，共同承載、均勻受壓用力，才能形成“團結力量大”的支護系統，才能有效提高支護系統的強度。

2 均壓支護設計

2.1 基本設計原則

巷道支護能夠支護圍巖頂板，必須考慮支護系統中錨桿—錨索變形關系、錨桿—錨索和圍巖之間的關系、錨桿錨索的均壓統一受力等支護特性和圍巖應力強度之間關系，以保證支護體共同承載地應力。一是支護系統能共同、有效、均勻地支護圍巖，在保證圍巖穩定的條件下，允許支護體發生一定的變形從而形成均壓性能。二是合理的初應力可以壓實表面圍巖體，保證早期的主動支護效果，提高圍巖的承載能力和穩定性。三是合理的支護參數，包括錨桿長度和布置，使用讓壓錨桿實現支護系統自動均壓。四是合理的錨桿索材質、錨桿結構和錨桿部件（托盤、金屬網、螺母和錨固劑等）及良好合理地安裝方式。

2.2 巷道設計斷面：根據通風、運輸、設備安裝等要求，戊9.0-20160工作面機巷為直墻梯形：寬×中高=4.0m×3.0m。

2.3 支護方案：綜合考慮戊9.0-20160工作面機巷圍巖強度低且還要經受采煤工作面采動影響，錨桿支護參數選擇如下：

錨桿的安裝載荷：依據地質和采礦條件，直接頂層理、節理、裂隙發育，且厚度變化較大，開掘后一段時間后產生崩解碎脹而破壞。根據類似條件下的支護經驗和有限元數值分析，頂板錨桿的安裝應力不應小于8 0KN。煤層呈粉末碎塊狀，軟弱松散，為了保證煤壁的及時主動支護，防止兩幫位移過大，兩幫錨桿的安裝應力不應小于50 KN。

根據巷道所處的地質條件，考慮動壓的影響，用有限元數值模擬的方法得到圍巖應力和變形特性曲線圖1。

圖 1 圍巖應力和變形特性曲線

由圍巖應力和變形特性曲線可以分析得出：為了有效地進行巷道支護，支護體的工況點應設在低位（50 t/m）；相應的錨桿支護系統應該具有的最大讓壓距離40mm。當支護強度低于50 t/m時，支護強度的微小變化將引起巷道狀況出現巨大的變化。如果錨桿支護系統的支護能力不大于破壞能力，則錨桿的受力將變為0，失去其支護作用，錨桿和圍巖一起移動。

根據圍巖應力和變形特性曲線研究，設計的支護系統如下:

最小支護強度：70 t/m，巷道圍巖位移：30mm，錨桿系統的允許的最大變形30mm。

錨桿和間排距：根據上述確定的支護強度及巷道高度及圍巖特征及鄰近巷道支護經驗，選用Φ22×2 400mm高強錨桿，其技術指標如下：屈服強度：153.3KN，抗拉強度：202KN，每排錨桿：6根，排距：800mm。

2.4 表面支護：為了保證錨桿系統有效地支護頂板和兩幫，加強表面支護強度，起到均壓的作用。根據圍巖條件，選擇如下：托盤：150×150×10mm高強球型托盤，承載能力大于32 t；鋼帶：2.75×300mmW鋼帶，金屬網：采用Φ4冷拔絲編制金屬網，網格80×80mm。

2.5 頂板支護：頂板采用金屬網與W鋼帶聯合表面支護措施。頂板W鋼帶的長度為2 100mm，三孔，孔間距為750mm。

2.6 錨固劑：為了達到所需要的錨桿安裝載荷，達到錨桿的最大抗拉強度，選用MZK28500中慢速樹脂（鉆孔直徑為Φ28 mm），每根錨桿用兩支樹脂錨固劑。

2.7 幫部支護：幫部錨桿的類型和參數與頂板相同。幫部表面支護按下面方案施工：上幫上部的3根錨桿共用一條W鋼帶，W鋼帶的長度為1 980mm，三孔，孔間距為750mm，最下面的錨桿單獨布置；下幫巷道上部的2根錨桿共用一條W鋼帶，W鋼帶的長度為1 200mm，2孔，孔間距為800mm，最下面的錨桿單獨布置。

2.8 錨索：考慮到巷道寬帶及圍巖的特點及現場巖性特點，經分析確定：

頂板均壓錨索的長度為7.3m，錨索的直徑為22mm，錨索的安裝載荷為80 KN；錨索托盤使用300×300×10mm的高強方型托盤，托盤的強度大于380KN，為提高錨索的整體性，采用叢向三根錨索吊一根槽鋼的形式，提高錨索受力均壓性能，增加支護系統的整體性。采用的22#槽鋼長度為3.4m，三個孔，孔間距1.6m。錨索均壓點：90 KN，均壓距離：25mm。每套錨索采用.三支MZKk28500的樹脂錨固劑。

圖 2 巷道支護斷面

3 巷道變形監測

監測的主要內容包括：巷道表面位移、頂板離層、錨桿受力、錨桿錨固力、錨桿安裝應力等。

3.1 表面位移監測

采用新支護施工的巷道，每間隔20m設置一個觀測斷面，觀察采用“十”字布點法進行。

3.2 頂板離層監測

為檢驗新錨桿設計的支護效果，監測頂板離層情況，采用頂板離層儀進行觀測。在已經掘出的扭矩應力錨桿支護的巷道內，沿巷道方向每隔50m安裝一組頂板離層儀，深部幾點7m、淺不基點2m，分別觀測錨索和錨桿共同圍巖范圍的頂板離層情況。

3.3 錨桿受力監測

測試采用托板壓力計進行，壓力計安裝在錨桿托盤和外錨頭的螺母之間，然后緊固螺母，對錨桿施加一定的應力。

3.4 錨桿錨固力監測

采用多功能錨桿拉拔儀進行拉拔測試。

3.5 錨桿安裝應力監測

采用安裝應力測試表進行監察，同時采用扭矩扳手進行監察，得到二者的對應關系。

3.6 監測結果分析：原始觀測數據，錨桿、錨索受力趨勢見圖3。

可以看出：頂板和兩幫錨桿索所觀測到的載荷遠小于錨桿的讓壓點和錨桿的強度，只有右幫的稍大，達到16.3 t，這與現場讓壓管沒發生變形的實際是一致的。這說明，通過均壓技術使巷道壓力均壓的分布到所有的錨桿索體上，從而避免了個別錨桿索體受力過大。

掘進期間成巷后的前15 d水平變形量較大，最大為13mm/天，15 d天后，變形趨于穩定，為4～8mm/天，總水平變形量為150～250mm；巷道垂直變形量自巷道成形后頂板下沉量15d為8 mm，20 d后為10mm，穩定后頂板總下沉量為30mm，施工半年后底臌量為200～400mm，均屬于正常變形量，實現了一次成巷。而類似巷道在施工三個月后，頂板下沉量為200～300mm，水平位移量為500～800mm，底膨量為40～700mm，嚴重影響安全生產，必須架棚進行二次支護。

圖 3 錨桿、錨索受力

圖 4 巷道變形量觀測數據

總之，該支護方式使巷道圍巖快速穩定，合理發揮了所有錨桿索共同支護作用，巷道變形得到有效控制，完全滿足安全生產要求。

4 結論

在同等條件下，錨桿均壓支護方式有效地提高了錨桿利用效率，起到“錨桿錨索團結力量大”的作用，大大延長了巷道支護周期。

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TD353

A

1671-0037（2014）03-70-2

李軍壘（1977-），男，本科，助理工程師，副主任。研究方向：煤炭技術管理。