大直徑錨索在動壓巷道支護中的應用

翁海龍

(神東煤炭集團保德煤礦，山西 忻州 036600)

0 引言

保德煤礦目前正在開采8#煤層，是井田內第一層厚度達標且穩定的可采煤層。8#煤層頂板節理、層理較為發育，為破碎煤巖互層復合頂板。煤巖層總體近南北走向，呈向西傾斜的單斜構造，煤層傾角為3°～6°，平均為4°左右。

保德煤礦五盤區綜采工作面采用三巷布置，即為膠運順槽、一號回風順槽、二號回風順槽。工作面在回采過程中，一、二號回風順槽，受相鄰回采工作面(上一個工作面)采動影響，巷道變形明顯，為確保受采動影響的巷道仍能安全服務本工作面，通過對受采動影響的巷道，采取二次幫頂錨索補強支護，來減小巷道變形，防止巷道片幫、冒頂等事故發生。

錨索應于煤礦或其他礦山、井巷、圍巖加圈，礦井巷道按常規設計的錨桿支護形式及參數，往往不能有效的支護，造成錨桿支護的整體垮塌，帶來嚴重的后果。由于鋼絞線長度不受限制，可以將錨圈段錨圈在堅硬的頂板上，同時，因鋼絞線強度級別較高，可以提供較大的預應力，使錨團段下部的復合頂板聯合一體，形成統一的剛性頂板、起到較好的支護效果。

礦用錨索結構一般由錨頭、錨索體和外錨頭3部分共同組成。內錨頭又稱錨固段或錨根，是錨索固在較穩定煤、巖體內提供預應力的根基，按其結構形式分為機械式和膠結式兩大類，膠結式又分為砂漿膠結和樹脂膠結兩類，砂漿式又分為二次灌漿和一次灌漿式。外錨頭又稱外錨固段，是錨索借以提供張拉噸位和鎖定的部位，其種類有錨塞式、螺紋式、鋼筋混凝土圓柱錨墩式、墩頭錨式和鋼構架式等。保德煤礦使用的是錨索端部由樹脂膠結，外頭由張拉機具張緊鎖具固定。

81506一、二號回風順槽，局部段受相鄰81505綜放面回采影響，頂部原支護與補強支護使用的1×7芯的φ21.6 mm錨索，在動壓巷道出現破斷現象，使得巷道支護管理陷入非常被動的局面。采取有效措施，控制好動壓巷道變形，是實現綜放工作面安全生產必須解決的問題之一，對巷道支護具有一定的指導作用。

1 工程背景及支護情況

81505綜放工作面沿煤層傾斜布置走向推進，采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤方法開采，全部垮落法管理頂板。

81505工作面切眼全長240 m，走向長1 856 m。地面標高876.8～1 054.1 m，煤層底板標高620.1～682.5 m。81505工作面西為設計81506工作面，東為81504采空區，南為五盤區集中輔運大巷，北為未開發實體煤，如圖1所示。

圖1 81505綜放工作面平面布置示意圖

圖中左上角巷道位置所示，該段巷道受相鄰81505綜放工作面回采產生動壓影響，巷道變形明顯，二次補強支護的1×7芯的φ21.6錨索多根出現破斷現象，如圖2所示。

圖2 錨索變形、破斷實物圖

2 破斷原因分析及應對措施

2.1 現場錨索破斷調查及分析

81505綜放面在回采過程中，在滯后81505綜放面的相鄰81506一、二號進風順槽300 m范圍內壓力顯現強烈，采用原φ21.6 mm的7芯錨索進行補強支護，頂板下沉控制較差，下沉趨勢仍然較強烈，且出現錨索多根崩落現象。

錨索支護與巷道表面(巖層面)不垂直、錨索過長，預應力不匹配、錨索強度不夠等現象，同時錨索在支護作用期間不是理想拉伸，桿體受拉、彎、剪與扭復合應力時，桿體承受過高彎矩及彎曲應力極易破斷。

為克服因回采工作面開采深度的增加，地質構造的變化，遇動壓影響而導致原支護失效，二次補強支護φ21.6 mm的7芯錨索效果不明顯，仍然有部分新支護錨索破斷崩落。通過對現場錨索破斷收集后分析，發現該段錨索破斷主要形式是斷口處多數在錨索距離鎖具≥500 mm位置，出現長短不一，呈劈裂狀，無明顯縮頸的現象，且破斷的位置深淺不一。部分淺部破斷錨索被崩落在巷道底板上，而深部破斷的錨索及錨索托盤則脫離巷道的頂板面。

通過現場考察和相關錨索破斷資料翻閱，國內很多技術人員對錨索破斷也進行了一些研究和分析。如張占春等[1]提出適當增大錨索強度、支護密度、施加恰當的預緊力以及開發延伸率較大的新型高強度錨索解決錨索破斷問題；賈進亞等[2]提出斷層附件通過增加錨桿(索)直徑和長度，增加預緊力和支護強度來解決錨桿(索)破斷問題；高習海[3]提出在復合頂板巷道中出現破斷錨索現象主要原因是錨桿支護沒有得到發揮，巷道頂板載荷由錨索承擔，在沖擊壓力下錨索斷裂，需合理設計支護來解決破斷錨索問題。

2.2 應對處理措施

保德煤礦動壓巷道出現的頂錨索破斷，可以由破斷錨索斷口和破斷錨索桿體觀察分析發現，巷道頂板各巖層錯動導致錨索在受較大拉應力條件下，還同時受到各巖層錯動的剪切力，因巖層的剛度較小，不會出現對錨索的脆性剪切，而是相對柔軟的煤巖體對剛度較大的錨索進行軟剪切，表現形式就是錨索斷口附件呈彎曲和剪劈現象。

同時結合參考文獻經驗[4-7]，礦內采用大直徑(1×19芯的φ28.6)錨索進行補強支護。通過選擇高強度錨索，開展支護質量現場提升檢查，來確保支護效果。比如：錨索安設與井巷輪廓線切線或與層理面、節理面裂隙面垂直，由于巖層傾角較大或其它原因不能垂直巖面布置錨索時，盡量保證角度偏差不大于15°、抗拔力和預應力不小于設計值的90%、“三徑匹配”、施工工藝中樹脂藥卷攪拌與等待時間、打設深度和錨索外露長度等都要符合相關規定。通過一系列措施的執行，很好的對受動壓影響的巷道進行了可靠的補強支護。

3 引用大直徑錨索后的效果對比

3.1 大直徑錨索介紹

此次選擇到的大直徑錨索規格為：1×19芯的φ28.6錨索，破斷載荷達到900 kN以上，而且延長率達到7%左右，是1×7芯結構鋼絞線(同直徑)的2倍，如圖3所示。

圖3 錨索實物圖

同時還對1×7芯結構錨索與1×19芯結構錨索性能進行了列表對比，見表1。

表1 1×7芯與1×19芯錨索鋼絞線力學性能對比

3.2 支護效果對比

通過在81506一、二號回風順槽13#-12#、12#-11#聯巷，設計兩種補強支護方案進行支護：方案一在81506一、二號回風順槽13#-12#聯巷段，間隔開原有頂支護每米兩根φ21.6 mm×8 m錨索，在兩排錨桿之間補強3根φ21.6 mm×8 000 mm錨索，不采動幫側支護是間隔開原有每米3根φ20 mm×2 100 mm鋼筋錨桿，第一排以下300 mm，最下一排以上200 mm段，分別補強支護φ21.6 mm×5 m幫錨索；方案二在81506一、二號回風順槽12#-11#聯巷段，間隔開原有頂支護每米兩根φ28.6 mm×8 m錨索，在兩排錨桿之間補強3根φ21.6 mm×8 000 mm錨索，不采動幫側支護是間隔開原有每米3根φ20 mm×2 100 mm鋼筋錨桿，第一排以下300 mm，最下一排以上200 mm段，分別補強支護φ21.6 mm×5 m幫錨索，如圖4所示。

通過試用高強度大直徑錨索(1×19芯φ28.6)在動壓巷道頂板的支護。方案一與方案二兩段巷道頂板變形控制對比明顯，方案一局部甚至發生冒頂，補強錨索仍有較多破斷崩落現象，頂板補強支護后，維持效果較差，變形控制不明顯；方案二僅原支護的頂錨索出現個別破斷崩落，頂板控制較好，只是底板臌起明顯比方案一明顯嚴重，可以推斷底板臌起釋放了部分壓力。同時也體現出大直徑錨索加大了對頂板巖層界面的正應力和摩擦力，極大程度減輕了頂板巖層錯動，防止錨索在巖層面受到強烈剪切發生破斷崩落。對巷道頂板圍巖控制起到很好的效果。

3.3 觀測數據方案

在巷道頂板中部靠正幫0.5 m處，設置長2 m的垂點，以方便每次數據測量。將巷道頂板掛設的垂線引至距巷道底板2 cm，找出垂點，并用噴漆標出對應位置。通過偏中線的垂線端部，在巷道兩幫進行標記觀測位置，同樣用噴漆標出，以便以后觀測。觀測站斷面如圖5所示。

圖4 方案一(左)及方案二(右)

圖5 觀測站斷面示意圖

通過測量OA/OB/OC/OD數據，結合歷史數據，來判斷巷道變形位置及變形情況。根據推進度對固定觀測站和重點區段移動觀測站進行數據觀測，將數據分開統計，每次將觀測站進行一次數據統計更新。通過新、舊(原始)數據，經表格生成折線圖進行對比分析，如圖6所示。

圖6 巷道變形折線圖

通過測量期間頂底板移近量數據采集、分析，得知使用φ28.6 mm錨索支護效果非常好，對動壓巷道支護起到很好的治理作用。同時減少了錨索支護間排距(支護密度)，降低了支護成本和勞動強度。

促使保德煤礦在實現高強度、高剛度、高可靠性與低密度支護的“三高一低”現代錨桿(索)支護時代開創新高。通過該設計理念，還可以在保證支護效果的前提下，將該大直徑錨索直接應用到巷道掘進中，不僅能加快巷道掘進速度，提高巷道掘進效率，還能降低巷道二次維護費用，杜絕因支護不可靠而帶來冒頂事故。

4 結論

(1)錨索破斷是目前煤礦動壓巷道普遍存在的一種現象，可引發巷道失去錨索支護而引發冒頂事故，嚴重時還可能造成人員傷亡事故，甚至發生巷道被冒落物體充填形成盲巷、截斷巷道正常通風風流而誘發其它事故，通過對動壓巷道使用多種支護材料的對比，得到大直徑錨索對以后動壓巷道維護具有重要意義。

(2)通過現場調查與分析，保德煤礦動壓巷道支護存在的主要問題是在用二次補強支護的1×7芯的φ21.6 mm錨索性能不符合實際要求。破斷口呈現彎曲變形和劈裂現象原因主要是靠近巷道頂板相對軟弱煤巖體，對剛度較大鋼絞線的軟剪切所導致。

(3)針對動壓巷道錨索破斷情況，不僅要在支護材質上采用強度相對高的大直徑錨索(如：1×19芯高強度φ28.6 mm)，還要在支護標準上要求，保證錨索打設要垂直所需支護煤巖面、增加錨索預緊力、適當減小錨索長度。同時還可試用其他延伸率大、屈服強度低的新型支護材料來治理動壓巷道。

(4)考慮到煤礦巷道地質條件復雜性與多變性，為更加準確地設計復雜巷道(如：沿空留巷、小煤柱、高應力強烈沖擊地壓、采動影響等)的支護問題，要對井下巷道圍巖力學以及圍巖結構、強度和地應力深入分析，持續開展“三場”(原巖應力場、采動應力場與支護應力場)分布特征及相互作用關系，對圍巖穩定性的影響。

(5)往后還要加強分析“三場”，得出所需支護材料的各項指標要求，需攻關研究支護材料與構件的研發，以不斷提高支護材料與構件的產品質量，最終實現動壓巷道支護的安全管理。