全長錨固技術(shù)在準(zhǔn)備巷道中的應(yīng)用

邵德盛，查德求，趙 磊，王 威，王福海，陳 康，王慶牛

（1．安徽省煤炭科學(xué)研究院，安徽 合肥230001；2．淮浙煤電有限責(zé)任公司 顧北煤礦，安徽 淮南232150）

傳統(tǒng)的錨桿支護只是錨桿的內(nèi)端面與巖石結(jié)合，而全長錨固錨桿支護則是鉆孔被桿體和樹脂藥卷充填密實，錨桿與巖體完全結(jié)合，使圍巖和錨桿形成整體，可以抑制圍巖離層和層間錯動，共同抗剪切作用，在圍巖變形過程中，全錨錨桿剛度大，增阻快，可提高錨桿的使用壽命[1-8]。李沖等人[9]研究了全長錨固預(yù)應(yīng)力錨桿桿體受力特征，錨桿軸力隨預(yù)應(yīng)力增大而增加，軸應(yīng)力先增加后減少；林健等人[10]對全長錨固錨桿外形與錨桿錨固性能之間全系進行研究，提出錨桿外形相關(guān)參數(shù)的合理性；鄭選榮[11]通過模擬推導(dǎo)了預(yù)應(yīng)力作用下全長錨固預(yù)應(yīng)力錨桿形成的錨固區(qū)內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律，提出錨桿最小和最大預(yù)應(yīng)力并推導(dǎo)計算公式；賈繼田[12]研究在深部巖巷掘進中采用水泥錨固劑實現(xiàn)全長錨固，并取得工業(yè)性試驗成功；張五一[13]研究在采煤工作面回采巷道采用全長錨固技術(shù)，解決了回采巷道快速掘進及支護技術(shù)問題。以上文獻對全長錨固錨桿受力特征、錨固性能、應(yīng)力分布規(guī)律、水泥藥卷及回采巷道全長錨固等方面進行了系統(tǒng)研究，但目前在準(zhǔn)備巷道采用樹脂藥卷進行全長錨固研究的較少。采用樹脂藥卷實現(xiàn)全長錨固比用水泥漿或者化學(xué)注漿，易操作，工人工作環(huán)境好[14-16]。顧北礦南一1#煤煤層回風(fēng)巷作為采區(qū)準(zhǔn)備巷道，服務(wù)年限至少15 年，需要找到1 種可以解決復(fù)合頂板準(zhǔn)備巷道的支護技術(shù)問題的方法。為此在顧北礦南一1#煤采區(qū)煤層回風(fēng)巷開展全長錨固錨桿支護技術(shù)研究工作，解決在復(fù)合頂板條件下煤巷支護難題，為顧北礦A 組煤安全高效開采提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)概況

淮南礦區(qū)A 組煤主采A1和A3，A1煤層煤厚最大值7.77 m，平均3.78 m；A3煤層煤厚最大值為9.17 m，平均5.07 m。A1和A3煤層層間距最小為1 m，可合并開采。A 組煤煤質(zhì)好，大部分礦井A 組煤開采深度已經(jīng)超過-1 000 m，圍巖應(yīng)力較大，A 組煤底板富含奧灰水，時有工作面突水淋水現(xiàn)象，對礦井支護安全帶來很大的挑戰(zhàn)。

南一采區(qū)1#煤煤層回風(fēng)巷位于-648 m 水平，為南一采區(qū)1#煤系統(tǒng)巷道，西面為南一1#煤采區(qū)底板放水巷；東面為底板帶式輸送機巷；北端為-600 m 南翼1#煤運輸大巷。巷道總長1 639 m，地面標(biāo)高+18.2～+22.7 m，巷道標(biāo)高-633.7～-580.9 m。地面位置在顧橋鎮(zhèn)后紙坊自然村和港河對岸的錢廟鄉(xiāng)張樓自然村之間，對應(yīng)地面為港河和灘地。

A1煤層主要成分為暗煤和亮煤，黑色，暗淡和油脂光澤，鏡煤含量較少。A1煤層含有多層夾矸，形狀為粉狀和塊狀，含少量扁片狀，普氏硬度f 為0.87，密度為1.35 t/m3；煤層屬于近水平煤層，角度最大值9°，最小值3°。煤層中局部有夾矸層，夾矸成分為泥巖，最厚為0.6 m。A1煤層厚度為3.51～9.23 m，平均厚度為9.3 m，煤層厚度總體較穩(wěn)定，但撥門口受斷層影響，厚度僅有3.5 m。

頂?shù)装逄卣鳎荷百|(zhì)泥巖最大厚度為3.53 m，平均厚度1.65 m，沿工作面方面從北到南緩慢變薄，直至缺失；基本頂為細(xì)砂巖，較硬，中間夾雜著砂質(zhì)泥巖，裂隙局部含水，平均厚度為12.8 m，從北到南基本頂慢慢變厚，在基本頂?shù)纳厦鏋樯百|(zhì)泥巖，最大厚度為15.32 m。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，最大厚度為9.5 m，平均厚度為7.3 m，厚度不固定，時有缺失；基本底為粉砂巖，最大厚度為10.15 m，局部有裂隙；基本底下面為灰?guī)r，最大厚度為3.85 m。

2 全長錨固技術(shù)方案

根據(jù)南翼1#煤煤層回風(fēng)巷的地質(zhì)條件和圍巖應(yīng)力情況分析，按照安全經(jīng)濟技術(shù)一體化的總體原則，頂板錨桿配合新型樹脂藥卷實現(xiàn)全長錨固，頂板錨索則采用加長錨固方式，提高錨桿錨索的握裹力。通過幫部預(yù)應(yīng)力錨索強化、全斷面噴漿封閉等聯(lián)合支護方法，控制巷道圍巖變形，實現(xiàn)巷道有效維護，其全錨技術(shù)方案如圖1～圖2。

圖2 南翼1#煤層回風(fēng)巷幫部支護圖

1）巷道頂板支護采用7 根φ22 mm×2 500 mm錨桿配合長5 400 mm 鋼帶以及6 500 mm×1 000 mm的10#菱形金屬網(wǎng)組合支護，頂板錨桿間排距850 mm×900 mm，錨桿孔徑φ32 mm，頂板錨桿要求全長錨固，使用2 卷中速配合1 卷快速樹脂藥卷，錨桿預(yù)緊力要求大于180 N·m，錨桿錨固力要求大于120 kN。

2）頂板錨索配合3 900 mm 長14#槽鋼組合方式，提高錨索承載的整體性，錨索不會因為單個承載力過大而導(dǎo)致破斷。每根14#槽鋼梁上布置4 根錨索，槽鋼中間2 根錨索規(guī)格為φ21.8 mm×7 200 mm，槽鋼兩側(cè)2 根錨索規(guī)格為φ21.8 mm×6 200 mm。長短錨索配合布置，可以避免錨索在同一層位應(yīng)力過大發(fā)生破斷，提高錨索的安全性。錨索的預(yù)緊力設(shè)計要求大于120 kN，錨固力則要求大于350 kN。

3）巷幫支護采用2 900 mm 長的M5 鋼帶和1 100 mm 長的M5 鋼帶組合方式，2 900 mm 長M5 鋼帶豎直，每根鋼帶上布置4 個錨桿，1 100 mm 長M5 鋼帶水平布置，每根鋼帶上布置2 個錨桿。巷幫錨桿規(guī)格：φ22 mm×2 500 mm，錨桿間排距860（600）mm×900 mm, 錨桿孔徑φ32 mm，幫部最上面1 根錨桿設(shè)計要求同頂板錨桿一樣全長錨固，其他幫部錨桿則采用2 卷樹脂錨固劑加長錨固。錨桿預(yù)緊力要求大于180 N·m，錨桿錨固力要求大于120 kN。為便于施工，幫部最上面和最下面2 個根錨桿可帶15°斜角施工。

4）幫部錨索布置在距離底板1 500 mm 處，兩幫各施工1 排，2 900 mm 長14#槽鋼上布置3 根錨索，錨索規(guī)格為φ21.8 mm×4 200 mm，錨索鉆孔直徑φ32 mm，錨索的預(yù)緊力設(shè)計要求大于120 kN，錨固力則要求大于350 kN。

5）噴漿封閉。由于1#煤煤層回風(fēng)巷為采區(qū)準(zhǔn)備巷道，服務(wù)時間長，為防止圍巖風(fēng)化，錨索網(wǎng)支護施工完畢后，必須要及時進行噴注漿。噴漿材料可選用具有早強、速凝特性的礦用無機速凝噴射復(fù)合砂漿，噴層厚50～60 mm，或者采用礦渣硅酸鹽水泥砂漿噴漿，噴層厚度不得小于100 mm。

3 技術(shù)方案數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型

根據(jù)顧北礦A 組煤煤層回風(fēng)巷地質(zhì)情況，數(shù)值模型長110 m，高100 m。模型上邊界根據(jù)上覆巖層的厚度計算出應(yīng)力大小，按照應(yīng)力大小加載均布力，模型左右和下邊界為約束位移邊界，施加垂直應(yīng)力14 MPa，材料破壞遵循Mohr-Coulomb 強度準(zhǔn)則。模擬巷道為顧北1#煤層回風(fēng)巷，各模擬方案支護參數(shù)如下。

1）工況1。巷道斷面：寬5 800 mmm×高3 800 mm，頂板錨索配合3 900 mm 長14#槽鋼組合方式，每根14#槽鋼梁上布置4 根錨索，槽鋼中間2 根錨索規(guī)格為φ21.8 mm×7 200 mm，槽鋼兩側(cè)2 根錨索規(guī)格為φ21.8 mm×6 200 mm。巷道頂板支護采用7根φ22 mm×2 500 mm 錨桿配合長5 400 mm 鋼帶以及6 500 mm×1 000 mm 的10#菱形金屬網(wǎng)組合支護；巷幫支護采用2 900 mm 長的M5 鋼帶和1 100 mm 長的M5 鋼帶組合方式，2 900 mm 長M5 鋼帶豎直，每根鋼帶上布置4 個錨桿，1 100 mm 長M5 鋼帶水平布置，每根鋼帶上布置2 個錨桿。

2）工況2。在工況1 基礎(chǔ)上，將幫部由下向上第3 根錨桿隔排由點錨索替代；其它參數(shù)同工況1。

3.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果

1#煤回風(fēng)巷在2 種工況下頂板表面位移、底板表面位移以及兩幫位移情況見表1。2 種工況下巷道垂直應(yīng)力分布圖和巷道塑性區(qū)如圖3～圖6。

圖3 工況1 巷道垂直應(yīng)力云圖

圖4 工況2 巷道垂直應(yīng)力云圖

圖5 工況1 巷道圍巖塑性區(qū)分布

圖6 工況2 巷道圍巖塑性區(qū)分布

表1 各工況巷道圍巖表面最大位移量一覽表工況

由頂?shù)装逦灰?、兩幫位移、垂直?yīng)力云圖以及2 種工況的塑性區(qū)分布圖可以看出，巷道開挖后，原巖應(yīng)力平衡被破壞，巷道周邊應(yīng)力降低，形成應(yīng)力降低區(qū)，在巷道兩幫一定位置形成新的應(yīng)力集中區(qū)。近水平煤層條件下，兩幫垂直應(yīng)力數(shù)值上基本相同，表明巷道周邊圍巖應(yīng)力主要由巖性與圍巖大結(jié)構(gòu)決定[17-20]。數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可以看出，2 種錨桿支護參數(shù)都可以滿足巷道支護要求，但1#煤回風(fēng)巷為整個1 煤采區(qū)通風(fēng)服務(wù)，服務(wù)年限為15～20 年，因此要求在幫部距離底板1 500 mm 處，兩幫各施工1排錨索，巷道施工貫通后，要求全斷面噴漿封閉，避免錨桿錨索出現(xiàn)銹斷現(xiàn)象。

4 工業(yè)性試驗

1#煤煤層回風(fēng)巷2018 年5 月巷道開始掘進，2019 年4 月巷道安全貫通，共計施工12 個月。巷道設(shè)計總長度為1 639 m。共布置礦壓觀測站20 組，其中離層儀和位移觀測站16 個，錨桿錨索載荷觀測站4 個。在12 個月的礦壓觀測中，頂?shù)装逦灰屏孔畲笾禐?40 mm，兩幫位移量為80 mm。巷道大部分寬度在5 700 mm，不需要進行任何巷修工作，工業(yè)性試驗取得成功。

頂板離層：離層觀測站每隔100 m 布置1 組，1組觀測站包括淺部基點和深部基點，淺部基點深為2 500 mm，布置在錨桿離層層位，深部基點深為7 000 mm，布置錨索離層層位。離層觀測站根據(jù)地質(zhì)情況適當(dāng)加密觀測。頂板下沉、底鼓及兩幫位移觀測站：位移觀測站布置同離層觀測站，在同一位置。頂?shù)装逦灰朴^測，頂板基點可用鋼帶備用孔，用噴漆做好標(biāo)記，底板則需要用1 m 長廢鉛桿錨入底板中作為底板基點，用卷尺測量鋼帶備用孔到腰線的垂直距離為頂板下沉值，腰線到底桿的垂直距離為底板隆起值；兩幫位移值同樣在幫部用噴漆在幫部選好基點，左幫基點到中線的距離為左幫位移值，右?guī)突c到中線的距離為右?guī)臀灰浦?。錨桿錨索載荷觀測站共布置4 組，第1 組巷道施工50 m左右，其他3 個測站距離第1 測站分別為300、600、900 m。

南翼1#煤層回風(fēng)巷3#測點位移曲線如圖7。由3#測站表面位移曲線可知，巷道圍巖變形主要發(fā)生在巷道開挖后的30 d 里，原巖應(yīng)力釋放，尋求新的應(yīng)力平衡，巷道開挖120 d 后，應(yīng)力重新平衡，巷道變形穩(wěn)定，試驗段前120 d 的頂板下沉值為34 mm、底鼓值為92 mm 以及兩幫位移值為76 mm。在12 個月的觀測時間內(nèi)，頂?shù)装逦灰浦禐?40 mm，兩幫位移值為80 mm。圍巖變形較小，巷道支護狀況良好。

圖7 南翼1#煤層回風(fēng)巷3#測點位移曲線

5 結(jié) 論

1）試驗巷道采用理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測等“四位一體”的研究手段確定顧北礦A組煤準(zhǔn)備巷道合理錨桿支護參數(shù)，系統(tǒng)研究了復(fù)合頂板條件下巷道安全掘進與全長錨固支護技術(shù)，頂板高強錨桿采用樹脂藥卷實現(xiàn)全長錨固，頂板錨索加長錨固，通過幫部預(yù)應(yīng)力錨索強化、全斷面噴漿封閉等聯(lián)合支護方法，控制巷道圍巖變形，實現(xiàn)巷道有效維護。

2）整個巷道采用全長錨固錨桿支護。在12 個月的礦壓觀測中，頂?shù)装逦灰屏孔畲笾禐?40 mm，兩幫位移量為80 mm。巷道大部分寬度在5.7 m，不需要進行任何巷修工作，工業(yè)性試驗取得成功。