深部巷道長錨桿支護技術研究及應用

于明江，劉國保，李 飛，李家全，蔡 猛

(中國礦業大學 (北京)資源與安全工程學院，北京100083)

近年來，隨著對煤炭資源開采強度的增大，煤礦開采的深度越來越大，越來越多的礦井進入深部開采狀態［1］。伴隨著開采深度的加大，巷道逐漸處于高應力環境中，深部巷道的支護出現了一系列的問題，巷道圍巖變形量大，支護困難，常出現冒頂及片幫事故，對此類巷道的支護，現場往往試圖通過增加支護強度來達到控制變形的目的，但效果不太理想［2］。國內學者在深部巷道的支護方面進行了大量研究，如康紅普［3］等針對千米深井巷道，提出了高預應力、強力錨桿支護技術，通過大幅提高支護系統的剛度和強度來保證圍巖的完整性;郭志飚［4］等針對深部高應力強膨脹節理化復雜軟巖，提出了采用錨網索－桁架耦合支護技術;王衛軍［5］等分析了深井煤層巷道圍巖變形特征和支護失效的原因，提出此類巷道的內外結構耦合平衡支護原理;孫廣義［6］等認為深部巷道支護應以護為主，防止圍巖破裂范圍擴大;何滿潮［7］等總結了適用于深部軟巖大變形巷道的設計方法和控制技術，提出了以橫阻大變形錨桿為主體的支護技術。

然而關于深部巷道長錨桿支護方面，研究成果較少。本文首先分析了深部巷道圍巖的變形破壞特征，并對長錨桿支護技術進行深入研究，闡述了長錨桿的圍巖控制機理及其在支護方面的優越性。現場工業性試驗表明，采用長錨桿支護，圍巖控制效果更佳。

1 深部巷道圍巖變形破壞特征

筆者通過查閱相關文獻［2，8－10］，并在結合現場礦壓規律監測的基礎上，分析并總結出了深部巷道的變形破壞特征，主要有以下幾個方面:

(1)巷道圍巖變形量大，支護體破壞嚴重隨著煤礦開采深度的增加，地應力越來越大，由此形成了較大的破碎區和塑性區，尤其當巷道受采動影響時，巷道變形量會急劇增加，普通的錨桿錨索支護已很難奏效。現場觀測表明此類巷道的變形量已遠遠超過了錨索的延伸量，導致錨索在支護過程中大量破斷，巷道變形量進一步加劇。

(2)巷道圍巖變形具有持續性 在高應力作用下，圍巖逐漸由彈性狀態轉變為塑性狀態，塑性狀態的巖石表現為流變特性，普通錨桿僅能轉移淺部的應力，錨索在這種大變形巷道中失效程度嚴重，造成深部圍巖持續變形，巷道需要經常擴修才能保證正常的生產要求。

(3)圍巖變形的不可控性 在這種深部煤層巷道中，圍巖變形相當一部分處于給定變形狀態，支護阻力對圍巖變形的控制作用有限，高強度的支護阻力并未有效減緩巷道的變形程度，反而錨索破斷現象依然存在，巷道冒頂時有發生，支護成本居高不下。

2 長錨桿支護技術研究

與普通的長錨桿相比，它不是靠加大桿體的長度來增加錨桿的長度，而是通過兩段或多段普通桿體的對接來實現錨桿的加長［11］。

2.1 長錨桿的組成結構

長錨桿分為2種，一種是頂板長錨桿，另一種是幫部長錨桿，它們均由桿體，錨頭和錨尾組成。

(1)頂板長錨桿在錨頭和錨尾之間設置有至少一個連接部，錨桿的長度根據支護實際需要由兩段或多段桿體對接而成，每段的長度根據實際需要進行設計，一般有1.5m，2m和2.5m 3種規格。具體結構形式如圖1(a)所示。

(2)幫部長錨桿的桿體部分和連接部分與頂板長錨桿相同，但錨尾部分為一剛性長螺紋結構，其強度大于桿體強度，長度為0.5～1.2m。具體結構形式如圖1(b)所示。

圖1 長錨桿結構

錨桿接頭連接部由桿體敦粗結構與高強連接螺栓組成，連接部內置有內螺紋，與具有外螺紋的連接螺栓相匹配，如圖2所示，強度不低于桿體段強度，連接頭的承載力在180kN以上，保證了錨桿的整體強度。

圖2 長錨桿接頭連接部

錨桿的材質為無縱筋左旋螺紋鋼，經過實驗室對其拉伸試驗可知，φ20mm×2000mm左旋螺紋鋼桿體的破斷載荷接近200kN，屈服強度為385MPa，抗拉強度為610MPa，最大伸長量大于300mm，延伸率為15%～18%;由此可知，長錨桿相比錨索強度較小，但具有較大的延伸率。

2.2 不同支護系統數值模擬分析

為了說明長錨桿在巷道支護中的優越性，以某深部大變形巷道地質條件為背景，進行了FLAC3D數值模擬，對比分析巷道采用錨桿錨索與長錨桿支護的區別。模擬中巷道埋深約700m，巷道頂底板特征及力學參數見表1，巷道圍巖本構關系采用摩爾－庫侖模型。錨桿錨索支護方案分別采用普通支護強度與高強支護強度。在普通支護方案中，頂板為2根 φ21.6mm×8000mm錨索加6根 φ20mm×2400mm普通錨桿，幫部為4根φ20mm×2400mm普通錨桿，錨桿錨索預緊力均為100kN。在高強支護方案中，頂板及幫部錨桿錨索規格與普通支護方案相同，但同一斷面內頂板錨桿錨索數量是普通支護方案的1.5倍，預緊力不變。在長錨桿支護中，頂板為 4根 φ20mm×5000mm長錨桿加 6根φ20mm×2400mm普通錨桿，幫部為4根φ20mm×3700mm長錨桿，錨桿預緊力為100kN，巷道圍巖本構關系采用摩爾－庫倫模型。各支護方案塑性區分布特征見圖3。

表1 數值模擬中巷道頂底板特征及力學參數

圖3 各支護方案塑性區分布

由圖3可看出，在不同的支護系統下，巷道塑性區范圍基本相同，對比各支護方案可發現，在頂板范圍內，頂板長錨桿與錨索均已錨固到深部穩定圍巖中，在幫部，普通錨桿未錨固到深部穩定圍巖，幫部長錨桿依舊能錨固在深部穩定圍巖。

可見在深部條件下，巷道塑性區范圍較大，加大支護強度對塑性區改變很小 (見圖 3(a)，(b))，巷道變形依舊會很大;常規的錨桿錨索支護已不再適用，頂板錨索雖能錨固到深部穩定圍巖，但其較低的延伸率也決定了它在支護大變形巷道時容易破斷失穩，幫部普通錨桿已不能錨固到深部穩定圍巖，更不能保證巷道的穩定性，長錨桿對支護深部大變形巷道優勢顯著。

2.3 長錨桿圍巖控制機理及優越性分析

2.3.1 長錨桿圍巖控制機理

長錨桿控制圍巖的作用主要表現在以下幾個方面:

(1)在深部巷道中，巷道的變形已為給定變形狀態，提高支護體的剛度與強度對圍巖的控制效果有限，對圍巖的控制要以柔性支護的理念進行，柔性不是徹底的柔性，柔性的同時帶有一定的強度，通過柔性來釋放圍巖的壓力，通過強度來防止塑性區的進一步擴展。

(2)對圍巖的控制中，保證長錨桿具有穩定的錨固力尤為重要，可根據巷道圍巖塑性區確定合理錨桿長度，錨固到較為穩定的深部圍巖中，維護已破碎圍巖的穩定，避免巷道失穩與冒頂事故。

(3)在支護中，長錨桿具有較高的延伸率來適應圍巖的大變形，避免了過度承載而破斷，并在支護過程中能提供較大阻力，將淺部塑性區圍巖應力轉移到深部彈性圍巖，保證了深部圍巖的三向受力狀態，一定程度上約束了深部圍巖的變形。

(4)長錨桿支護系統適應能力較強，由于具有較大的柔性，托盤不會由于應力集中而導致巷道表層圍巖的破碎，能很好地維持圍巖的殘余強度。

(5)對于深部大變形巷道，應采用長短錨桿協調支護，長錨桿控制較大范圍保證不發生大的冒頂，短錨桿控制淺部破碎圍巖防止小范圍漏頂。

2.3.2 長錨桿支護的優越性

(1)能根據巷道塑性區的大小設計錨桿的長度，且每段桿體的長度可自由設計，保證錨桿錨固到巷道深部穩定圍巖中，增加了支護的有效性。

(2)長錨桿桿體段延伸率超過15%，在巷道變形量較大時，能提供較大的延伸量，有效地適應圍巖的大變形，在適應的同時提供較大的支護阻力，這種支護思想是以讓壓來達到控制的目的，支護效果較好。

(3)此種錨桿不是一整段較長的桿體，而是由多段短桿體對接而成，在巷道正常尺寸下整段較長的桿體難以安裝，而此種錨桿可以利用錨桿轉機分別安裝，只需在安裝時在連接部對接即可，節省了大量空間，安裝較為方便。

(4)幫部長錨桿的尾部為剛性長螺紋結構，在巷幫變形較大需要擴幫時，能根據擴幫尺寸大小將長螺紋段鋸斷一部分再擰緊錨桿螺栓或只需擰緊錨桿螺栓，無需重新補打錨桿錨索，大幅提高工作效率的同時又避免了材料的浪費。

3 工程應用

為了驗證長錨桿的支護優越性，選取趙固礦區典型深埋巷道進行試驗，巷道埋深約600～800m，直接頂為砂質泥巖和細粒砂巖，水平層理，基本頂為大占砂巖，以石英為主。巷道斷面為矩形，巷道斷面尺寸為4800mm×3300mm。

3.1 原支護方式巷道變形破壞特點

巷道原有支護形式為錨桿錨索聯合支護。具體支護形式為錨網索+鋼筋梯+W型鋼帶+16號槽鋼梁聯合支護，支護參數如表2所示。

表2 巷道原有支護參數

對此種支護形式下的巷道變形規律監測表明，巷道的頂板變形主要集中在0～4m范圍內，幫部變形主要集中在0～3m范圍內，且變形主要發生在掘進期間和受工作面采動影響期間。在掘進期間，頂板下沉量為230mm，兩幫移近量為438mm;在工作面回采期間，頂板下沉量為564mm，兩幫移近量則達到1080mm。可見在原有支護形式下，巷道的變形量極大，并多次出現錨索被拉斷等支護失效現象，巷道破壞嚴重，巷道在服務期間需要經常擴修，嚴重影響了煤礦的正常安全生產。

3.2 新支護方案

對此類巷道的支護，應能保證支護材料錨固到巷道深部穩定圍巖，由巷道變形規律監測可知，頂板4m以外圍巖為穩定圍巖區域，幫部3m以外為穩定圍巖區域，故所采用的頂板長錨桿長度應大于4m，幫部長錨桿長度應大于3m;頂板應采用長短錨桿協調支護，幫部全部采用長錨桿進行支護，具體的巷道支護參數如下:

(1)頂板支護參數 采用頂板長錨桿+普通螺紋鋼錨桿+金屬網+鋼筋梯聯合支護。普通螺紋鋼錨桿規格為φ20mm×2400mm，頂板長錨桿規格為 φ20mm×5000mm，錨桿間排距 800mm×1000mm，錨固長度1200mm，錨桿托盤 δ10mm×150mm×150mm，與鋼筋梯配合使用，鋼筋梯長度為4160mm配合3160mm使用。金屬網片使用φ5.6mm鋼筋焊制，金屬網片網幅 1000mm×1900mm，網片搭接100mm，每格用14號鉛絲綁扎。

(2)幫部支護參數 兩幫全部采用幫部長錨桿，配合W型鋼帶與金屬網進行支護。幫部長錨桿規格為φ20mm×3700mm，錨桿間排距900mm×1000mm，錨固長度900mm，錨桿托盤為W型鋼帶，與規格為δ10mm×150mm×150mm托盤配合使用，金屬網與頂板金屬網相同。巷道支護斷面如圖4所示。

圖4 巷道支護斷面

3.3 支護效果

3.3.1 巷道支護效果監測

對支護效果的監測分為兩方面，一是采用十字布點法對巷道頂板下沉量和兩幫的移近量進行監測，二是對新支護方案中的頂板長錨桿進行工作阻力監測。在試驗巷道分別布置5個測站進行監測，巷道變形監測表明，頂板及兩幫變形主要發生在前30d內，故對巷道變形只進行了60d的連續監測，監測結果如圖5所示。

圖5 新支護方案巷道變形監測結果

由監測結果可知，采用新支護方案后，在掘進期間，頂板平均下沉量為207mm，兩幫平均移近量為368mm;在回采期間，頂板平均下沉量為515mm，兩幫平均移近量為835mm;相比原支護方案，在掘進期間頂板及兩幫圍巖變形量分別減少23mm和70mm，在回采期間頂板及兩幫變形量分別減少49mm和245mm，雖減少量有限，但經現場觀測表明，巷道破壞程度明顯減弱，長錨桿由于其自身較好的延伸性能能很好地適應巷道圍巖的大變形。長錨桿工作阻力監測表明，在巷道掘進和回采期間，工作阻力在160～177kN的長錨桿比例可達85%以上，平均工作阻力約為170kN，且未發生破斷現象，可見長錨桿在頂板支護的全過程均保持了較好的工作狀態，在釋放圍巖變形壓力的同時保持了高強的支護阻力，圍巖控制效果較好。

3.3.2 幫部擴幫效果

巷道表面位移監測表明，即使采用長錨桿支護，在工作面回采期間，兩幫移近量也較大，達到800mm以上，若采用普通錨桿支護，巷道必然要補打錨桿，此時幫部長錨桿的優勢再次凸顯，相比普通錨桿，長錨桿特有的長螺紋段能保證其在擴幫時重新利用。具體擴幫形式分為2種:當擴幫尺寸較小時，長螺紋段在擴幫后外露尺寸不大，不需切割長螺紋段，只需將螺母重新擰緊即可;當擴幫尺寸較大時，長螺紋段在擴幫后外露尺寸較大，需要將螺母擰緊后切割掉外露的長螺紋段。

4 結論

(1)分析并總結出了深部巷道變形破壞特征為:巷道圍巖變形量大，且支護體破壞嚴重，巷道圍巖變形具有持續性和不可控性。

(2)數值模擬分析了不同支護系統巷道圍巖的塑性區分布，結果表明:深部條件下巷道塑性區范圍較大，加大支護強度對塑性區改變較小，普通錨桿錨索支護不再適用。

(3)長錨桿的圍巖控制機理為:進行柔性支護，釋放圍巖壓力并防止塑性區擴展;深部穩定錨固，避免已破碎圍巖失穩;轉移淺部應力，保證深部圍巖的三向受力狀態;長短錨桿協調支護，適應圍巖的大變形，預防巷道的冒頂及漏頂。

(4)現場試驗表明，采用長錨桿支護后，巷道變形量減小，巷道破壞程度明顯減弱，且幫部長錨桿在擴幫時能夠重新利用;長錨桿大都處在較大的工作阻力狀態，大幅提高了巷道服務期間圍巖的穩定性。

［1］何滿潮，謝和平，彭蘇萍，等.深部開采巖體力學研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(16):2803－2813.

［2］馬念杰，趙志強，馮吉成.困難條件下巷道對接長錨桿支護技術［J］.煤炭科學技術，2013，41(9):117－121.

［3］康紅普.深部煤巷錨桿支護技術的研究與實踐［J］.煤礦開采，2008，13(1):1－5.

［4］郭志飚，李 乾，王 炯.深部軟巖巷道錨網索－桁架耦合支護技術及其工程應用［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(2):3914－3919.

［5］王衛軍，李樹清，歐陽廣斌.深井煤層巷道圍巖控制技術及試驗研究 ［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(10):2102－2107.

［6］孫廣義，林井祥.深部巷道支護技術研究與實踐 ［J］.煤礦開采，2010，15(1):54－57.

［7］何滿潮.深部軟巖工程的研究進展與挑戰 ［J］.煤炭學報，2014，39(8):1409－1417.

［8］杜計平，蘇景春.煤礦深井開采的礦壓顯現及控制 ［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2000.

［9］楊海萍，湯國禹，朱新民，等.深部巷道變形特征及支護對策［J］.礦業工程研究，2012，39(4):13－17.

［10］張 軍.深部巷道圍巖破壞機理及支護對策研究［D］.北京:中國礦業大學 (北京)，2010.

［11］劉洪濤，王 飛，王廣輝，等.大變形巷道頂板可接長錨桿支護系統性能研究［J］.煤炭學報，2014，39(4):600－607.