長錨桿（索）在破碎頂板巷道的應用

黃正興

（大同煤礦集團朔州煤電有限公司，山西 朔州 038300）

1 概述

大同煤礦集團朔州鐵峰煤業(yè)有限公司5#層408回風巷位于井田408盤區(qū)，北部為小窯采空區(qū)，東部為井田邊界，南部為實煤區(qū)，西部為盤區(qū)大巷。408回風巷設計長度為1989m，施工巷道沿5#煤層底板掘進，煤層平均厚度為3.0m，巷道設計斷面規(guī)格為寬×高=4.5×3.0m。5#煤層無偽頂，直接頂主要以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度為2.6m，巖體松軟性脆，極易破碎；基本頂主要為含礫粗砂巖，平均厚度為5.0m，巖體鈣質(zhì)膠結(jié)，堅硬不易垮落。

408回風巷采用綜合機械化掘進工藝，巷道初步支護設計頂板采用單錨桿、錨索、金屬網(wǎng)支護。頂板錨桿長度為2.0m，直徑為22mm，每排布置6根，錨桿間距×排距=0.9×1.0m，錨桿預緊力矩150N·m，錨桿采用一支MSK23/35和一支MSZ23/60樹脂錨固劑錨固；頂板錨索采用長度為5.3m、直徑為17.8mm預應力鋼絞線,錨索托盤規(guī)格為長×寬=0.3×0.3m，每根錨索采用一支MSK23/35和兩支MSZ23/80樹脂錨固劑錨固，錨索排距為2.0m。

巷道掘進至224m處頂板出現(xiàn)局部破碎現(xiàn)象，錨桿支護困難。當巷道掘進237m時頂板出現(xiàn)第一次冒頂，冒頂高度達2.7m。隨著巷道繼續(xù)掘進，頂板破碎面積擴大，頂板錨桿支護失效率達17%，嚴重制約著巷道安全高效掘進。

2 408回風巷頂板破碎原因分析

（1）集中應力作用。408回風巷北部為小窯8204采空區(qū)，保護煤柱間距為19m。由于8204工作面于2007年回采結(jié)束，受采空區(qū)殘余應力及工作面開挖影響，應力集中作用在408回風巷頂板上，頂板受壓破壞嚴重，造成頂板破碎。

（2）錨桿支護強度低。原支護設計中頂板錨桿長度為2.0m，而巷道直接頂主要以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度為2.6m，錨桿錨固段位于該不穩(wěn)定巖體中，在應力作用下，該巖體穩(wěn)定性差，出現(xiàn)離層、下沉現(xiàn)象，錨桿支護時無法促成頂板連續(xù)梁長期穩(wěn)定性，導致直接頂出現(xiàn)延展破壞。

（3）錨桿支護密度大。408回風巷初步支護設計中，頂板每排布置6根錨桿，排距為1.0m，雖然在一定程度上對頂板起到支護作用，但是由于408回風巷直接頂承載能力低，易出現(xiàn)剪切破壞，密集的支護鉆孔不僅破壞了巖體連續(xù)穩(wěn)定性，而且鉆孔在施工過程中產(chǎn)生的擾動破壞，會增加頂板裂隙帶，且在應力作用下向深部延伸。

3 長錨桿（索）支護設計

408回風巷在掘進期間頂板應力分布特點主要為水平應力小、垂直應力高，根據(jù)前期巷道掘進頂板破碎原因，對頂板支護設計進行優(yōu)化，采用大錨桿（索）支護形式，適當降低支護密度，提高錨桿預應力。

3.1 施工工藝

（1）錨桿支護。優(yōu)化后408回風巷頂板錨桿采用長度3.5m、直徑25mm的左旋無縱筋螺紋錨桿。每根錨桿配套兩支錨固劑，一支MSK23/60快速型，一支MSCK23/35超快速型。錨桿錨固力不得低于10t，預緊力不得低于200N·m。錨桿每排布置5根，間距1.1m，同一排錨桿外露端采用14#圓鋼焊接而成鋼筋托梁護頂，長度4.8m，錨桿排距1.2m。

（2）錨索支護。優(yōu)化后決定對原頂板單錨索支護更改為恒阻組合錨索支護形式，每組組合錨索由兩根恒阻錨索及一塊鋼托板組成。錨索長度為8.0m，直徑為21.6mm，鋼托板規(guī)格為長×寬=0.5×0.5m，托板焊制兩個直徑為30mm圓孔。每排施工兩組組合錨索，錨索間距為2.5m，排距為4.0m。如圖1所示。

圖1 408回風巷破碎頂板大錨桿（索）支護斷面示意圖

3.2 長錨桿（索）支護優(yōu)點

（1）長錨桿(索）支護有利于對頂板支撐應力連續(xù)傳輸，如圖2所示，提高了錨桿支護靈敏度，保證了錨桿懸吊及組合梁作用，有效抑制了頂板變形、離層現(xiàn)象，避免了短錨桿支護時頂板出現(xiàn)的延展破壞，減小巷道二次維修量。

圖2 兩種錨桿支護結(jié)構(gòu)狀態(tài)對比示意圖

（2）長錨桿（索）支護增加了錨固層厚度，從而積極調(diào)動了深部穩(wěn)定巖體承載性能，充分利用上部巖體較強承載能力，達到控制淺部巖體變形的目的，降低了應力對淺部不穩(wěn)定巖體破壞作用。

（3）長錨桿（索）支護實現(xiàn)了“三高一低”支護作用，即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度，在滿足頂板支護要求的前提下，降低了頂板支護密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，不僅降低了支護成本費用及勞動作業(yè)強度，而且縮短了單位面積支護時間，提高了巷道掘進效率。

（4）長錨桿（索）支護促進了頂板連續(xù)梁穩(wěn)定性及承載作用，從而有效緩解煤幫壓力，降低了頂板垂直應力對兩幫煤體產(chǎn)生的剪切破壞作用，提高了圍巖穩(wěn)定性，而圍巖穩(wěn)定性提高又保證了頂板連續(xù)梁長期穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

大同煤礦集團朔州煤電有限公司通過技術(shù)研究，對鐵峰礦408回風巷頂板破碎原因進行合理分析，對原頂板支護進行優(yōu)化，提出長錨桿（索）支護設計。通過實際應用發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后支護設計有效提高了破碎頂板穩(wěn)定性，保證了錨桿（索）支護效果，支護失效率降低至2%以下，防止了頂板下沉現(xiàn)象，頂板最大下沉量控制在0.14m以下，避免了巷道二次維修，減少維修成本費用達1170元/m。同時長錨桿（索）支護密度低，與傳統(tǒng)單錨桿、索支護相比，每米可節(jié)約支護成本費用達240元，保證了巷道安全快速掘進，取得了安全、經(jīng)濟效益。