高強錨桿實現耦合控制的方法與應用

陳志剛

（平煤股份十礦，河南 平頂山 467013）

隨著平煤股份十礦開采深度的增加，現已達1 000m 左右，礦壓非常大。在巷道圍巖以泥砂巖為主的高應力條件下，原有支護方式已經無法滿足安全生產的需要，如錨桿材質強度低、施工工藝與之不匹配，造成巷道破壞嚴重、返修等問題。所以，如何增加高應力條件下巷道支護強度成為井巷工程中的難點。

1 工程地質介紹

平煤股份十礦己15-24100 機巷位于十礦二水平己四采區末端，南鄰正在回采的己15-24080 采面，北部為三水平采區，尚未開采，東為己15-24110 采空區。機巷設計長度2 052m，煤層平均厚度3.3m，巷道沿己組煤層頂板施工，頂巖自下而上分別為0.8-1.6m 的泥巖、10m 厚泥質砂巖。泥質砂巖極其不穩定，遇水膨脹變軟，接觸空氣容易被氧化，不利于頂板控制支護。

1.1 己15 煤層底板厚度在0.5-5m 之間，下覆的己16 煤層受地壓影響，向上底鼓損壞巷道底板穩定，巷道兩幫為己15煤層，煤體松軟，造成巷道普通錨桿支護承載力低。

1.2 巷道位于地下1 000m 左右，地面為山體，原巖應力比較大，造成頂板下沉、幫部支護體破壞及底板鼓起。

1.3 巷道頂板傾角達25°，巷道斷面大，采用普通鉆爆法施工，爆破容易破壞巷道圍巖的整體性。

1.4 機巷與相鄰的己15-24100 高位巷間隔10m，造成巷道圍巖應力集中，增加了巷道支護的難度。

如上所述，己15-24100 機巷巷道支護設計屬于高應力復合頂板大斷面軟巖巷道，圍巖穩定性差，頂底板及兩幫的控制難度大。

2 巷道破壞影響因素

巷道圍巖穩定性受多種因素影響，巷道尺寸變形量大小是其穩定性的反映，是各種因素綜合作用的結果。

2.1 圍巖性質及結構特征影響。圍巖強度越低、節理越發育、分層厚度越小，則巷道越不穩定，越容易變形破壞。

2.2 巷道埋深的影響。隨著深度的遞增，巷道上覆巖層重量增大，應力變大，巷道的破壞變形度越大。

2.3 圍巖壓力的影響。圍巖壓力直接決定了巷道支護所需的強度和支護形式。

2.4 巷道斷面形狀的影響。斷面越不規則、頂板傾角越大，頂板產生的剪切力越大，破壞巷道頂板和支護錨桿。

2.5 巷道與采掘關系影響。同一條巷道，回采引起的圍巖變形量要比掘進階段的圍巖變形量大很多。

2.6 巷道施工方式、質量及支護方式影響。巷道施工方式對于巷道圍巖的完整性有重要影響，圍巖遭受破壞越嚴重支護越困難。

3 原支護存在的不足

3.1 錨桿支護設計主要依靠現場經驗，設計理論依據有待完善和補充。

3.2 各類巷道錨桿千篇一律，很多設計單位只是籠統選擇了錨桿直徑和長度，但是不同的錨桿結構和施工工藝會有很大的效果差別。

3.3 地應力大小、方向、比值的影響，估計值偏低。

3.4 沒有進行地質力學分析和巷道壓力顯現與錨支護參數的匹配關系分析與選擇。

3.5 錨桿材質強度低、預緊力小、抗拉能力和扭矩小，錨桿基本上沒有預應力。

4 高強樹脂錨桿

BHRB600 左旋無縱筋高強樹脂錨桿對桿體斷面形狀與螺紋的幾何參數進行優化，在提高粘結力的同時，降低阻力。

4.1 錨桿橫肋間距不得大于鋼筋公稱直徑的0.7 倍，橫肋側面與鋼筋表面的夾角α 不小于45°。

4.2 BHRB600 左旋無縱筋高強樹脂錨桿，屈服力達228.1kN，破斷力達304.1kN。分別是同類螺紋鋼的1.79 倍和1.63倍，是同直徑圓鋼的2.5 倍和2.11 倍，真正實現了高強度。

4.3 錨桿的預緊力大，能夠實現離層與滑動的有效控制，錨桿預緊力一般為桿體屈服載荷的30%-50%。

5 支護設計

己15—24100 機巷頂板支護設計為： 錨桿錨索聯合支護，表面支護為M 鋼帶和8# 鐵絲金屬網(在頂板有下沉超過50mm或出現錨桿錨索有壓斷現象時，使用為直徑不小于260mm 木支柱增加巷道抗壓能力)。

圖1 支護斷面圖

5.1 頂板采直徑22mm 左旋無縱筋高強錨桿和直徑18.7mm 長度7.3m 錨索支護，表面支護配合使用4m 長6 孔M型鋼帶、8# 鐵絲金屬網。錨桿間排距為為800mm，采用錨固端錨固方式，單根錨桿采用二卷MZ28500 型中速錨固劑，頂錨桿初始扭矩大于160N·m。

5.2 巷幫采用等強錨桿、 機織網配合錨梁支護，錨桿為￠20×2 200mm 等強樹脂錨桿，巷道兩幫每根錨桿使用一個鋼板護板，間距為800mm，排距為800mm，每根錨桿采用MZ28500 中速錨固劑二卷，金屬網采用8# 鐵絲網。

6 耦合支護方法

6.1 采取預留光爆層的爆破施工方法，減少爆破對圍巖的破壞，盡量做到精確成巷。

6.2 小循環掘進，單循環進度0.8m；幫錨桿滯后不超過2排。

6.3 鋪網方式：從頂板中部向兩邊鋪，兩邊網過肩窩并用鐵絲扎接牢固，幫部網至底角。

由以上數據對比可以看出，實驗后實驗班在顛球、20 m腳內側運球過桿、腳內側定點射門三個項目成績高于對照班，其顛球技術具有非常顯著的差異。

6.4 使用大扭矩鉆機，保證錨桿具有較高的預緊力，攪拌及時，勻速攪拌至孔底，等待充分，確保樹脂凝固一次上緊，確保證頂錨桿的安裝扭矩大于150N·m，幫錨桿安裝扭矩大于100N·m。

6.5 人工二次加扭矩，采用MQS-90J2 氣扳機進行二次加扭矩，使頂、幫錨索錨桿預緊力達到與設計值偏差不超過5%，滯后時間不超過3 個小時。

6.6 圍繞鉆孔成孔質量和錨桿安裝質量來組織施工，巷道開挖出斷面后快速施工安裝錨桿，實現及時主動支護。

6.7 錨桿索鉆孔保證三徑（鉆孔、錨桿、藥卷）合理匹配，保證成孔質量高，孔直度高，孔深準確，孔壁要清潔，不留煤巖粉。

6.8 掉頂處采用各種規格的木楔調節，木楔位置必須放置在鋼帶和金屬網之間，使金屬網緊貼巖面。

7 支護效果觀測

為了觀察錨桿的支護效果，研究支護設計的合理性，需設置相應的監測站，支護監測一般監測對象為：頂板、巷道表面位移、錨桿受力等。

監測內容、觀測目的及測試手段，如下表。

序號 觀測內容 觀測目的 測試手段1 頂板離層 監測復合頂板分離狀況 離層指示儀2 頂板的相對離層 確定圍巖不同點位之間相對位移，以及各點相對位移量 多點位移計3 巷道位移 監測巷道相對變形量，從而判定穩定性 測桿、測槍4 錨桿受力 測試錨桿強度是否合適，以調整錨桿密度液壓枕、測力錨桿5 頂板狀態監測 頂板的巖性變化及軟弱面層位 鉆孔窺視儀6 螺母擰緊力矩 檢查錨桿安裝質量 扭力扳手

該支護方式在己15-24100 機巷中，監測數據見圖2。

圖2 巷道變形量觀測數據

監測數據表明：巷道施工期間，前13 天水平收斂量最大，最大為14mm/天，13 天后，巷道兩幫收斂趨于穩定，為4～8mm/天，巷道兩幫總體收斂量為200～240mm；巷道垂直變形量，前13天為8mm，21 天后為10mm，頂板總體下沉量接近30mm，施工半年后巷道底臌量為200～450mm，均在安全許可范圍內。而類似巷道，在施工三個月后，頂板下沉量達到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。

總之，該支護設計使巷道圍巖穩定速度快，合理利用了圍巖的承受能力，巷道破壞變形時間延長，完全滿足安全生產要求。

8 結論

在相同的地質條件下，新支護方式真正實現了一次支護，根據目前材料價格，該支護方式與原支護形式對比：巷道支護比原有支護方式多投入198.1 元/m，但是該支護設計實現高強度支護，延長了巷道使用時間，節約維修2 131.5 元/m，而且減少了巷道后期維護資金的投入，滿足了工作面回踩期間的安全需要。

高強耦合支護對圍巖起到主動支護作用，實現支護一體化，提高了巖層的自承和承載能力，有效地控制了巷道圍巖的早期離層和動壓的劇烈影響，可滿足高應力復合頂板大斷面軟巖巷道的支護要求，有效提高了深部巷道圍巖的的支護質量和支護水平，真正實現一次成巷，提高生產效率，減輕工人的勞動強度，滿足安全生產的需求，解決了大埋深、高地應力巷道支護難的問題。

[1]侯朝炯、郭勵生，勾攀峰等.煤巷錨桿支護[M].中國礦業大學出版社，1999.

[2]馬念杰，侯朝炯.采準巷道礦壓理論及應用[M].北京煤炭工業出版社，1995.

[3]楊張杰.復合頂板錨梁網支護沿空掘巷圍巖變形特征及其控制技術[J].煤炭工程，2009（9）:34-36.