深井高地壓煤巷錨桿支護技術探討

【摘 要】顧橋礦屬深井高地壓礦井，巷道支護一直是困擾礦井發展的難題，如何進一步提高錨桿支護質量，確保支護的安全性和可靠性，提高錨桿支護設計的科學性和實用性，進一步降低支護成本，是當前煤巷錨桿支護工作的重要內容，也是每一位工程技術人員的重要職責。

【關鍵詞】高地壓；支護技術；效果分析

概況

顧橋礦是淮南礦業集團實施“建大礦、辦大電、做資本”發展戰略，建設國家億噸級煤炭基地和大型煤電一體化新型能源基地的核心工程，顧橋礦屬深井高地壓礦井，為有效治理顧橋礦深井地壓問題，尋求技術上、經濟上均合理的巷道支護體系，根據礦井現有巷道支護和頂板管理現狀及主要可采煤層頂、底板巖性等地質條件，我們在1115（1）工作面順槽進行了相關實驗，取得較高的經濟效益。

1 煤巷錨桿支護技術體系

“三高一大”，即：高強度、高剛度、高預應力和錨索的大托盤（400mm×400mm）。

巷道開挖后巷道圍巖發生結構變形和松動擴容變形，理論和實踐觀測表明，結構變形通常占整個變形的40%，而松動擴容變形占60%。

煤巷錨網支護的圍巖控制應著重控制這二種變形，通過錨桿的初始預緊力一開始就對圍巖進行強有力的預緊作用，消除圍巖的初期松動和變形，從而調動圍巖整體承載能力，而不是等待圍巖產生松動變形后再去懸吊松垮的圍巖，這是高預緊力錨桿支護技術的主要理念。

1.1 錨桿支護的主要作用

1）錨桿主要作用是改善發生塑性變形和破壞的煤巖體力學性質，提高其屈服后強度，改變屈服后煤巖變形特性，使破壞變得比較平緩。

2）錨桿對節理、層理、裂隙不連續面作用：通過錨桿提供軸向力與切向力，提高不連續面抗剪強度，阻止離層與滑動。提高結構面強度，提高節理煤巖體整體強度、完整性與穩定性。

3）錨桿給圍巖施加壓應力，改善應力狀態。對于受拉區域，可抵消部分拉應力，提高圍巖抗拉能力；對于受剪區域，通過壓應力產生的摩擦力，提高圍巖的抗剪能力

1.2 錨桿支護技術的關鍵因素

1）對錨桿施加較大預應力，并通過托板、鋼帶等構件實現預應力擴散。

2）采用加長錨固或全長錨固，使桿體對圍巖離層、錯動非常敏感，能及時抑制離層與錯動。

1.3 錨桿預應力的作用

提高錨桿預拉力是保證巷道穩定性、控制層狀頂板巖體軟弱面離層的最有效、最經濟手段，可以充分發揮高強度支護材料的能力，形成有效的支護強度，為解決層狀頂板地下工程的支護難題探索新的途徑。

1.4 預應力控制技術體系的主要內容

1）錨桿預拉力（或稱初撐力）的大小對頂板穩定性具有決定性的作用。當預拉力大到一定程度時，錨桿長度范圍內和錨桿長度以上的頂板離層得以消除。同時頂板的垂直壓力被轉移到巷道兩側巖體縱深，巷道兩側附近巖體的壓力減少，片幫現象緩和。

2）錨桿的作用在于給頂板及時提供很高的初撐力以形成預應力承載結構。

3）通過對錨桿施加較大的預拉力可以充分利用水平應力來維護頂板穩定性。

4）錨桿參數和預拉力的合理配置可以使錨桿長度之內和錨桿長度之外的上覆頂板巖層都不存在離層破壞。當預拉力達到一定值后頂板巖層在不同的層位會出現一定的正應變和負應變，其累計值還不足以造成明顯的頂板下沉，即預應力結構（梁）可以做到不出現橫向彎曲變形，只有縱向的微小的膨脹和壓縮變形。

1.5 深部巷道確定錨桿支護參數的原則

以高強錨桿為基礎以高預緊力為核心的深部巷道錨桿支護參數的確定原則為：

1）高預應力（桿體屈服載荷的30-50﹪）、加長或全長錨固；

2）預應力擴散，增大護表構件的剛度和強度；

3）組合支護，錨桿錨索匹配，保證支護整體性能；

4）臨界支護強度、剛度概念，不能低于臨界值；

5）高強度、高剛度、高可靠性，低密度；

2 支護效果分析

2.1 工作面順槽煤巷錨桿支護

典型巷道是1115（1）工作面軌道順槽。選取兩個較為典型的測點進行統計后得到在巷道掘進期間的圍巖變形速度和變形量曲線見圖1所示。

由圖1可以看出，巷道在開挖后的5—7天內進入穩定狀態，但經過一段時間后再觀測時巷道仍有較小的變形量，表明深部巷道圍巖變形表現出脆-塑性轉化、流變及明顯的擴容特性。巷道變形表現出明顯的時間效應：即初期來壓快、變形顯著，當圍巖變形穩定后，圍巖還以一定速度長期處于流變狀態。圍巖的總體變形量不大，頂板最大下沉量為77mm，兩幫最大移近量為90mm。巷道整體支護效果見圖5。

根據礦壓觀測結果分析認為：在深井大跨度三軟煤層的條件下，采用高強長錨桿和錨索加強支護，通過較高的預緊力充分調動圍巖的自穩能力，對頂板形成了穩定的承載梁結構，有效抑制了頂板離層，對巷道開挖后的圍巖變形起到了很好的控制作用，在掘進期間把巷道的圍巖變形控制在了合理的范圍之內。

2.2 技術經濟效果分析

顧橋煤礦在1115（1）工作面上順槽開展了煤巷錨桿支護技術工業性試驗，采用新型超高強錨桿支護系統，順利完成了1115（1）工作面上順槽2100m的井下工程，試驗與應用取得了成功。

2.2.1 直接成本計算

1）錨帶網支護成本計算。

每排17根錨桿，3條鋼帶，錨梁為“3-2-3”布置方式，加金屬網聯合支護，考慮每孔2個樹脂藥卷。

直接成本計算如下：

錨桿45×17=765元

鋼帶160+100×2=360元

錨索梁（180×2+80）×0.5=220元

錨索180×3×0.5=270元

金屬網12.2×10=122元

藥卷5×31.5=157.5元

排距0.8m

每排合計1894.5元，每米成本1894.5/0.8=2368元

2）單純架設U型鋼棚（29#）成本計算。

直接成本計算如下：

按跨度5.0m，墻高1.4m，計算全斷面維護長度10.65m。

每米理論重量29kg

排距0.6m

U型鋼（29#）市場價格5100元/t

每排價格5100×29×10.65/1000=1575.1，每米成本567.74/0.6=2625元

2.2.2 經濟效果對比

錨帶網支護成本：2368元/米；

U型鋼支護成本：2625元/米；

采用錨帶網梁支護后每米成本與U型棚相比節省支護費用257元；

1115（1）工作面上順槽實體煤巷累計長度2100米

與U型棚相比共計節約直接成本257×2100=539700元

3 結束語

采用錨網支護材料的運輸簡單，巷道總體掘進速度快，工人的勞動強度低，受到了現場施工工人的歡迎和好評；錨網支護時工作面回采不考慮回棚撤棚的工序，為后期的回采做出了很大貢獻；采用錨網主動支護的效果較之棚式被動支護有了質的飛躍，為類似條件下推廣應用做出了貢獻。

作者簡介：

王立冬（1981.12----），男，安徽天長人，工程師。2005年畢業于安徽理工大學土木系，現在淮南礦業集團顧橋礦從事煤礦施工技術管理工作，擔任掘進區區長。

（作者單位：淮南礦業集團顧橋礦）