煤礦巷道錨桿支護技術應用探討

白 宇

1 盤區地質概述

寺河煤礦二號井九七盤區大巷沿9#煤層的底板施工，設計三條大巷分別稱為97101、97102、97103大巷，作為盤區的準備巷道。盤區內9#煤層位于石炭系太原組中部，上限標高為636 m，下限標高為468 m，地面標高為793～1024 m。直接頂板為厚3.3 m粉砂巖，老頂為厚5.3 m的細砂巖，底板為厚0.8 m的石灰巖。

現有的支護方案頂板的支護強度達到了90，000 kg/m2，遠遠超出了規定支護強度，增加了成本。同時也造成巷道掘進速度慢、效率低。

2 巷道應力測試與分析

為了科學合理的設計巷道支護方案，研究地應力對巷道布置的影響，掌握測試區域內地應力的大小與方向和9#煤圍巖特性。對實驗巷道進行地應力測試。

根據礦井生產技術條件和地應力測試要求，分別在九七盤區大巷的聯絡巷（測點A）和97202大巷950 m處（測點B）選定兩處位置實施試驗。

2.1 測試過程與應力數據

在兩個測點分別施工鉆孔并安裝應力計，利用鉆孔取出的巖芯在實驗室加工成標準試塊。通過單軸壓縮試驗確定測量段巖石的彈性模量、泊松比和單軸抗壓強度等力學參數，通過數據處理得到測點A和測點B附近區域地應力實測結果。

表1 地應力計算結果

可以看出，九七盤區大巷的聯絡巷和97202大巷最大水平主應力為9.28 MPa和7.53 MPa，方向分別為N48.69°E、N52.94°E，垂直主應力分別為7.52 MPa和6.94 MPa，最大水平主應力大于垂直應力，說明該區域地應力以構造應力為主。

2.2 應力分析

根據上述測試數據，九七盤區所在的位置的屬于低應力區，井下的工程實踐也證明此區域的水平應力顯現不明顯。九七盤區頂板巖石穩定性好，強度較高。因水平應力對九七盤區大巷和順槽的布置影響很小，最大水平主應力的方向與大巷和順槽也均不是垂直和平行的關系。

3 大巷支護方案設計

3.1 整體耦合支護工況點

根據整體耦合讓均壓的設計理念，支護系統設計必須包括：錨桿（索）長度，支護強度和支護系統的變形耦合讓均壓距離。這三個參數相互影響且相互制約，三者必須達到耦合。單獨改變一個因素而忽略其他因素都達不到支護效果，這三者就是耦合支護工況點。利用錨桿耦合支護工況點設計曲線圖可以設計耦合支護工況點、檢查參數設置是否合理。

3.2 錨桿支護參數確定

（1）錨桿支護系統工況點確定

圍巖應力變形特性的特點決定錨桿特性曲線設計，根據現場采礦地質條件及采動影響，利用數值模擬方法得出圍巖應力和變形特性曲線。據此再結合錨桿耦合支護工況點設計曲線，可以確定錨桿支護系統的工況點：最小支護強度：600 kN/m、巷道圍巖位移20 mm、允許的最小變形20 mm。

而錨桿的長度應該足以錨固到松散破碎范圍以外的穩定巖層中，根據現場圍巖松散破碎圈分析，頂幫錨桿的長度均選為2000 mm，以保證錨桿錨固在穩定圍巖中。

根據以上工況點，選擇Ф18 mm×2000 mm的蛇形錨桿。其理論屈服強度為120 kN，抗拉強度值150 kN。

（2）錨桿安裝應力確定

依據現場建立有限元二級模型，模擬分析錨桿安裝應力。頂板每排布置5根錨桿，排距1.2 m。通過改變模型中錨桿的安裝應力，達到無離層、頂板中的拉應力最小的最佳組合梁效果為宜。

圖1為安裝應力增加至40 kN時的應力分布變形圖和頂板離層圖，灰色區域為受拉區。通過模型可以看出，安裝應力到40 kN時，頂板拉應力區絕大多數消除，絕大多數頂板離層都閉合，從而取得最佳組合梁的效果。所以沿頂掘進時所需的最小錨桿安裝應力為40 kN。

圖1 應力分布變形圖和放大后的頂板離層

3.3 輔助支護系統設計

為了保證錨索能錨固到頂板穩定圍巖中，結合井下具體施工地點情況，選擇快裝高預應力“鳥窩”錨索。其參數如下：直徑15.24 mm、長度5300 mm、安裝應力90±10 kN、采用“三花”布置，排距2.4 m。

每套錨桿采用1支K2335的快速樹脂藥卷與1支Z2360的中速樹脂藥卷；每套錨索采用1支K2335的快速樹脂藥卷與2支Z2360的中速樹脂藥卷。

4 大巷支護效果檢驗

為全面檢測97102大巷采用新支護方案的支護狀態，驗證錨桿支護設計的合理性，檢驗支護質量，進行了礦壓監測檢驗。

4.1 錨桿錨固力檢測

在試驗段掘進10 m后隨機抽取4根錨桿做拉拔試驗，對錨桿錨固力進行檢測。下圖是其中1根錨桿拉拔試驗曲線圖，可以看出。拉拔力到20 kN時，錨桿頭位移為零；到30 kN時，錨桿托盤已經把鋼帶緊貼巖壁，當拉拔力在140～160 kN，錨桿已經接近屈服階段。當拉拔力達到160 kN時支護體拉力仍有上升趨勢，錨桿沒有被拉出，說明Ф18 mm×2000 mm的蛇形錨桿用一卷MSK2335加一卷MSZ2360的樹脂錨固劑時，錨固力與錨桿抗拉強度匹配完好，滿足設計要求。

圖2 拉拔試驗曲線

4.2 錨桿安裝扭矩與預緊力關系

在試驗段掘進10 m后進行監測。首先把安裝應力測試表放在托盤與螺母之間；其次利用扭矩扳手緊固螺母，每增加50 N·m，讀數一次安裝應力測試表并記錄。

表2 扭矩實驗記錄

由表可知：當頂板的錨桿安裝扭矩大于180 N·m時，錨桿的預緊力即大于設計中要求的40 kN。現在規程規定頂錨的安裝扭矩要大于200 N·m，能夠滿足設計要求，且有富裕系數。

4.3 巷道位移觀測

在實驗巷道選定4個測點（間距50 m）觀測頂底板移近量。每兩天觀測一次，直到巷道基本穩定，然后畫出巷道表面位移變化曲線。分析巷道受掘進和回采影響情況，總結規律，取巷道的穩定程度和扭矩應力錨桿的支護效果得平衡點。

圖3 測點4位移變化曲線

由圖可知，采用新設計支護方案后，掘進期間大巷兩幫的最大移近量為79 mm，頂底板移近量最大為52 mm。大巷在滯后掘進迎頭150 m后趨于穩定，250 m后完全穩定。

根據九七盤區97301及相鄰的97302和97303工作面的采礦與支護經驗，97102大巷試驗段受時間和臨近采煤工作面的動壓影響較小。預計采煤工作面影響期間兩幫最大移近量會增加20 mm左右，頂底板移近量會增加30 mm。回采影響結束后，預計試驗段兩幫最大變形量在100 mm左右，頂底板最大變形量在80 mm左右。大巷在整個服務期限內均能夠保持穩定。

5 結語

1）九七盤區大巷和97202大巷最大水平主應力為9.28 MPa和7.53 MPa，方向分別為N48.69°E、N52.94°E， 垂直主應力分別為7.52 MPa和6.94 MPa，最大水平主應力大于垂直應力，該區域地應力以構造應力為主，屬于低應力區。

2）新型支護設計保證了錨桿(索)的錨固力，實現了“三徑比”的合理優化。通過施加足夠預緊力并通過組合構件實現預應力擴散，將圍巖錨固成一整體，提高錨固體的強度，阻止圍巖變形、裂隙擴展。

3）試驗表明，掘進期間大巷試驗段兩幫最大移近量為79 mm，頂底板最大移近量為52 mm。大巷在滯后掘進迎頭150 m后趨于穩定，250 m后完全穩定。大巷在整個服務期限內均能夠保持穩定。

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