接長錨桿技術在復雜困難巷道中的應用研究*

劉奉明

(1.中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

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接長錨桿技術在復雜困難巷道中的應用研究*

劉奉明1,2

(1.中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

在煤礦巷道支護中，錨桿錨索支護是最常見的支護構件，然而由于錨索延伸率過低，通常在巷道圍巖產生離層時破斷失效，有的直接整根錨索脫落，導致巷道支護強度降低，極易發生冒頂事故，特別是在地質條件相對復雜的巷道更為突出。文中以接長錨桿代替錨索為研究內容，通過理論分析和現場實測等方法，從巷道冒頂機理的角度分析接長錨桿和錨索的各自優缺點，進而闡述接長錨桿的優越性能。結果表明：接長錨桿的力學性與錨索對比有很大優勢，能夠較好地與煤巖體形成統一的承載結構，其自身長度遠大于理論計算的巷道冒頂高度，且允許圍巖發生較大變形，有利于巷道圍巖形成楔形拱，增加了圍巖的自承能力；節約鉆孔和安裝時間，從而提高巷道的掘進速度，進而節約巷道支護成本。

接長錨桿；讓壓支護；礦壓觀測；經濟效益

0　引　言

隨著中國煤礦開采深度的不斷增加，巷道支護工作變得尤為重要，儼然已經成制約煤礦高產高效生產的因素之一[1-3]。中國現有的支護水平已經有顯著提高，但仍然無法有效地解決復雜困難巷道圍巖大變形等問題，大面積片幫冒頂等災害時有發生[4-7]。近年來國內許多學者針對煤礦大變形巷道支護問題進行了深入的研究，“讓壓支護”、“先讓后抗”等支護技術成為非常有效的手段[8-9]。張志康，、王平等則通過在錨桿索托盤與螺母之間增加讓壓環，可防止錨桿索因承載力過大變形破斷失效[10-11]?？导t普等提出了高強度高延伸率新型錨索[12-13]；何滿潮等提出了恒阻大變形錨桿[14-16]。以上學者在巷道支護領域已經研究的比較深入具體了，但針對地質條件比較復雜的巷道，特別是受采動影響的巷道往往易發生頂板離層，導致錨桿錨索受力不均衡，錨索承擔了過多的載荷，錨桿錨索聯合支護形成了擺設，冒頂事故時常發生。文中以接長錨桿代替錨索為研究內容，通過理論分析和現場工業性試驗揭示接長錨桿相對于普通錨索的優越性能。

1　煤礦巷道冒頂機理綜述

圖1　錨索失效形式分析Fig.1　Anchor failure form analysis

巷道冒頂機理：在高地應力和采動應力形成的綜合應力場的作用下，巷道頂板產生塑性區并發生破壞，頂板邊界多為拱形、梯形、橢圓形等類松散垮漏體，錨桿錨索失去對這種頂板類松散垮漏體的控制，導致破壞失效，從而引起頂板冒頂事故。如圖1所示，錨桿錨索支護失效有以下幾種形式：①普通錨索與圍巖體錨固失效，導致錨索整體被拉出；②普通錨索延伸率過低，抗變形性能較差，在大變形巷道容易被拉斷、剪斷；③普通錨索尾部局部頂板應力過于集中，導致一部分煤巖體產生破壞，進而引發冒頂事故；④普通錨索支護失效導致聯合支護失去意義。

2　接長錨桿支護機理

如圖2所示，由于錨桿延伸率遠高于錨索，允許頂板離層高達300～600 mm，可以與頂板圍巖協調變形，避免了因錨索(允許頂板離層量小于100 mm)被各各擊破引起的冒頂；接長錨桿可以直接錨固在頂板易垮漏體之外的穩定巖層上，避免錨桿因長度過短導致錨固失效；接長錨桿可在頂板類散體形成倒梯形錨固體，其楔形擠緊作用可以有效防止巷道頂板松散垮漏體的冒落；使用接長錨桿替代錨索更經濟，掘進速度更快。

圖2　接長錨桿形成的楔形錨固體Fig.2　Wedge anchor solid with long anchor

無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿錨尾螺母及托盤和普通錨桿一樣，利用現有的設備很方便的進行安裝。錨桿桿體的長度需要根據巷道的設計高度和錨桿的設計長度進行加工，利用錨桿鉆機的扭力自然的把兩段連接在一起，其連接部分拉拔力應大于極限抗拉力的89%，連接后其錨固力仍然維持較高水平。

無支護狀態下巷道冒頂高度

(1)

式中m為安全系數； f為煤的普氏系數，一般取1.5～2.5.

煤層直接頂比較破碎并且厚度較大，錨索的延伸率很低，不能有效地支護頂板，所以設計了接長錨桿。接長錨桿由桿體、錨頭和錨尾組成，在錨頭和錨尾之間設置至少有一個連接部(如圖3所示，3號即為連接部)，通過所述連接部，將所述錨頭和錨尾固定連接或者分離。

圖3　接長錨桿連接部示意圖Fig.3　Schematic diagram of long bolt connected

3　接長錨桿性能參數

如圖4所示，根據拉拔試驗得出，無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿系金屬桿體，其屈服強度不小于335 MPa，抗拉強度大于490 MPa，桿體的延伸率不小于15%.

圖4　錨桿錨索拉拔試驗對比結果Fig.4　Comparison results of anchor and cable pullout test

圖5　錨索脫落現場照片Fig.5　Picture of anchor cable pulled off

桿體直徑為20 mm，錨固力不小于105 kN；尾部螺紋直徑為22 mm，尾部螺紋的承載力不小于105 kN；連接頭尺寸直徑26.5 mm，連接頭的長度為50 mm，連接螺栓長度60 mm，連接頭的承載力不小于139 kN；托盤的承載力不小于105 kN，尾部螺紋的承載力不小于105 kN.接長錨桿力學參數見表1.現場實際拉拔試驗結果顯示，接長錨桿拉拔力最大在19 t，一般在17～19 t之間，可見接長錨桿的性能良好，完全可以滿足煤礦巷道支護要求。

表1　接長錨桿力學參數

4　工程概況

趙固一礦11031回采巷道受本工作面回采影響，巷道變形十分嚴重，錨索多處被拉出導致失效，個別地點出現臺階下沉現象，下沉高度一般在300～400 mm左右，如果不及時挑頂，很有可能發生冒頂事故，對安全生產十分不利。圖5，圖6分別是巷道錨索脫落的現場照片和該礦工作面平面示意圖。

11031工作面所采煤層屬2-1煤，煤層直接頂以0.4～0.6 m泥巖為主，厚度一般為2.8～5.7 m，其巖石質量指標RQD砂巖41.4%～90.2%，一般巖石完整性較好；老頂以細粒砂巖為主，局部為局部為砂質泥巖，巖體較堅硬，巖石的抗壓強度為16.5～79.3 MPa，其力學指標詳見表2和表3.

圖6　各個工作面間平面示意圖Fig.6　Schematic diagram in each face

該巷道原始支護設計方案如圖7所示，方案采用頂板6根φ20 mm×2 400 mm等強錨桿，排距900 m，間距800 mm；錨索的排距1 800 mm，間距1 600 mm，長度7.3 m.

表2　2-1煤直接頂巖性參數表

表3　2-1煤層老頂巖性參數表

圖7　巷道原支護方式Fig.7　Original support method of roadway

5　支護方案對比

趙固一礦11031回采巷道的支護方案設計依據是：必須保持巷道頂板的完整性，保證回采巷道頂板在兩幫支護體的相互作用下，與巷道煤巖體形成一個整體，臨近工作面剛回采結束，上覆頂板巖層仍處于活動期。根據以上原則，在趙固一礦原有的支護方案的基礎上，進行了支護參數的優化，提出接長錨桿支護方案，圖8，圖9分別是接長錨桿支護的2種方案，具體對比如下：

5.1方案Ⅰ

頂板：采用接長錨桿、高強錨桿，共6根錨桿；排距900 m，間距800 mm.

5.2方案Ⅱ

頂板：采用超長錨桿，共6根錨桿；排距900 m，間距800 mm.

接長錨桿具有以下優越性能

1)力學結構性能優越。接長錨桿長度較大能夠很好的和圍巖形成統一的支護承載結構，使錨桿和圍巖充分發揮其自承作用，改善圍巖自身條件，在結構上提高巷道的安全性；

圖8　接長錨桿支護方案ⅠFig.8　Support programⅠof long bolt

圖9　接長錨桿支護方案ⅡFig.9　Support program Ⅱof long bolt

2)安全性好。①根據自然平衡拱理論和巷道所處的地質條件，在非構造區域計算出巷道冒高3 m左右，接長錨桿長設計長度為5 m，遠大于計算巷道冒頂的高度；②接長錨桿可塑性較好，在拉拔試驗中接長錨桿可以達到0.6 m的伸長量，因此使用接長錨桿可以允許煤巖體產生較大的塑性區；③超長錨桿支護方案中，巷道肩部的錨桿設計成有一定角度，這樣的設計可以使圍巖形成楔形拱，增加了圍巖的自承能力，使錨桿圍巖形成統一的支護體。

3)經濟性對比。

原方案：(49.4×6)/0.9+(177×3+360)/1.8=825元/m；

新方案：(49.4×3+120×3)/0.9=565元/m；

節約：825-565=260元/m.

4)效率性對比。

①打孔長度降低

原方案(2.4×6)/0.9+(7.3×3)/1.8=28.2 m/m；

新方案(2.4×3)/0.9+(5×3)/0.9=24.7 m/m.

接長錨桿設計打孔長度比原支護方案每米減少3.5 m.

②安裝時間降低

打孔長度每米減少3.5 m，降低了打孔時間，同時錨索安裝時需要使用拉拔計進行張拉才能保證錨索的初錨力，接長錨桿不需要這一工序，從而節省了安裝時間。所以，使用接長錨桿加快了巷道的施工速度。

6　接長錨桿安裝程序和注意事項

6.1安裝程序

1)準備工作：檢查錨桿在運輸的過程中是否完整；關鍵部分是否變形生銹，如果有問題需要及時處理和解決。根據鉆孔的直徑，選擇與之相配套的錨桿錨索、托盤、錨固劑等支護材料;

2)按設計的要求打鉆孔時，需要多打80 mm，以方便錨桿、錨索的安裝；

3)及時清理孔內的煤塵和殘渣，確保鉆孔內的清潔和完整性；

4)接長錨桿安裝與普通錨桿類似，都是錨桿一端頂住錨固劑，送入鉆孔底部，錨桿另一端連接另一根錨桿，待錨桿連接一定長度后架上鉆，啟動錨桿鉆機，邊旋轉邊使用一定推力送錨固劑進入孔低，不斷攪拌致使錨固劑充分反映混合在一起；

5)停止攪拌后，不要馬上卸掉鉆機，以免未達到錨固劑固化錨桿掉落，需要等待一段時間固化基本結束后擰緊托盤和螺母。

6.2注意事項

1)根據設計要求正確選擇與桿體相匹配的樹脂錨固劑，錨固劑的直徑與鉆孔直徑及桿體直徑要相匹配；

2)使用前，檢查錨桿是否受損傷，錨固段是否沾有油污，螺紋段是否生銹，是否影響錨固力；

3)嚴禁在攪拌過程中停止或停止后再次進行二次攪拌；

4)桿體位置、深度、角度和樹脂錨固劑應符合設計要求，不得隨意改動，如遇到頂板破碎，裂隙發育等情況，在征求設計人員同意情況下，可適當調整錨眼位置，增加錨桿數目，但不得增大間距和排距。鉆頂部邊錨眼時，鉆機支在巷道正中，保證錨眼位置。接長錨桿安裝施工圖如圖10所示。

7　礦壓觀測試驗

11031工作面每天進尺4.8 m，所以在11031軌道順槽距離工作面50 m處布置一個全斷面測點，進行深基點位移觀測，觀測回采期間10 d內深基點位移計的變化情況，從中檢驗接長錨桿支護系統支護效果，具體測點如圖11所示。

圖10　接長錨桿安裝施工圖Fig.10　Installation construction plan of long bolt

圖11　觀測站位置平面示意圖Fig.11　Location sketch of observation station

7.1兩幫監測結果

如圖12所示，隨著11031工作面的向前推進，在監測范圍內的10 d里，距11031工作面50 m處負幫圍巖移近量逐漸增加。具體來說，前5 d內，圍巖總體移近量不是很大，在0～6 m范圍內僅僅移動了50 mm左右。當監測范圍內的第6 d開始(此時的工作面推進至25 m左右)，圍巖變形量呈現顯著上升的趨勢，斜率比較大，說明此時恰好達到了工作面前方支承壓力分布的高峰，之后圍巖仍隨著工作面的推進，圍巖移動量仍在增加，但增幅略有減緩。

圖12　距11031工作面50 m處負幫深基點位移曲線圖Fig.12　Deep basis point displacement curve of negative slope of 50 m from 11031 working face

圖13　距11031工作面50 m處正幫深基點位移曲線圖Fig.13　Deep basis point displacement curve of positive slope of 50 m from 11031 working face

如圖13所示，隨著11031工作面的向前推進，在監測范圍內的10 d里，距11031工作面50 m處正幫幫圍巖移近量逐漸增加。具體來說，在前7 d里，圍巖變形量基本呈現緩慢升高的趨勢，第8 d開始，圍巖變形量大幅度的攀升，1 d內圍巖變形量達120 mm，可見此時已經達到工作面前方支承壓力的高峰，之后圍巖變形仍有增加，但增幅有所減緩。

7.2頂底監測結果

圖14　距11031工作面50 m處底板深基點位移曲線圖Fig.14　Deep basis point displacement curve of floor of 50 m from 11031 working face

如圖14所示，隨著11031工作面的向前推進，在監測范圍內的10 d里，距11031工作面50 m處底板圍巖移近量逐漸增加。具體來說，在前2 d里，底板基本毫無變形，但從第3 d開始，底板變形量呈現間斷性的增長，第6 d后，底板變形量增幅開始迅速攀升，底鼓比較明顯，最大底鼓量可達200 mm左右。

圖15　距11031工作面50 m處頂板深基點位移曲線圖Fig.15　Deep basis point displacement curve of roof of 50 m from 11031 working face

如圖15所示，隨著11031工作面的向前推進，在監測范圍內的10 d里，距11031工作面50 m處頂板變形量逐漸增加。具體來說，前5 d里，頂板移近量階段性遞增，增幅不是很大，第6 d開始，頂板下沉量呈現升高的態勢，且斜率比較大，在0～8 m范圍內，頂板在監測范圍內的10 d內，下沉了180 mm左右，應該加強支護。

8　結　論

1)接長錨桿力學結構性能優越，能夠很好的和圍巖形成統一的支護承載結構。其安全性較好，接長錨桿長度遠大于計算巷道冒頂高度，允許圍巖發生較大變形；有利于巷道圍巖形成楔形拱，增加了圍巖的自承能力；

2)與長錨索相比，雖然接長錨桿的抗拉強度較低，但是其較高的延伸率讓其可以承受巷道圍巖的較大變形，且不易發生錨索破斷失效，支護強度及其穩定性滿足巷道生產要求；

3)以接長錨桿為主的回采巷道支護不僅節省打孔和安裝時間，提高巷道的施工速度，而且每米巷道大約節約260元，改善了趙固一礦原有的支護成本過高、支護效果不強等問題，對于安全生產和經濟效益方面都有較大影響；

4)接長錨桿支護效果比較顯著，巷道頂板及兩幫的總位移量在允許的范圍之內，且能達到穩定狀態，但其適用范圍比較有限，僅僅在圍巖變形量大于長錨索延伸量時方可適用，對于其他類型的巷道支護效果有待于進一步研究。

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Application of the long bolt technology in the complex difficult tunnel

LIU Feng-ming1，2

(1.FacultyofResourceandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing)，Beijing100083，China；2.CoalMiningDepartment，TiandiScience&TechnologyCo.，Ltd.，Beijing100013,China)

Cable extension rate is so low that separation broken can be found in the tunnel surrounding rock.Especially in the complex and difficult tunnel，the situation is much more prominent.In this paper，the content is long bolt replaced cable and the advantages of the long bolt are described by theoretical analysis and field test.It can be assumed that support scheme with lengthening bolt compared original plan is more superiority in the technical and economic areas.Experimental research shows that：lengthening bolt which has superior performance mechanical structure can form a unified supporting bearing structure with surrounding rock；the length of lengthening bolt is much more than the surrounding rock roof height.It not only can allow great deformation of roadway surrounding rock but also be conducive to the formation of wedge-shaped arch，which increase the stability of surrounding rock；it also can save drilling and installation time while improving the roadway construction speed.

lengthening bolt；allowable pressure support；pressure observation；economic benefit

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0404

1672-9315(2016)04-0470-08

2016-01-12責任編輯：劉潔

北京市科委重大科技成果轉化落地培育項目(Z141100003514011)；天地科技創新基金(KJ-2014-TDKC-06)

劉奉明(1987-)，男，黑龍江佳木斯人，博士研究生，E-mail：617348059@qq.com

TD 353

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