煤礦運輸巷錨桿錨索聯合支護技術的設計與應用

王曉波

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治046000）

引言

煤礦開采時巷道施工是必不可少的環節[1-2]，巷道圍巖的穩定性對煤礦安全有決定性的影響[3-4]。巷道支護是確保煤礦安全的重要措施。錨桿錨索聯合支護在巷道支護方案中非常常見，能夠起到很好的應用效果[5-6]。本文以某煤礦運輸巷為例，對其錨桿錨索聯合支護技術方案進行了系統全面的設計和研究，并將其應用到工程實踐中。

1 工程概況

某煤礦設計的年生產能力為50萬t，目前正在開采的工作面，其煤層厚度在0.53～2.63 m范圍內，厚度平均值約為1.5 m。煤層厚度變化范圍相對較窄，屬于比較穩定的煤層。另外，煤層內部不包含有夾矸，結構也很簡單，可采指數為1，即全部都可以開采，變異系數約為20%左右。煤層直接頂主要由泥巖構成，其厚度在1.9～2.9 m范圍內，平均厚度大小為2.5 m，存在一定的縫隙，賦存不是非常穩定。老頂主要由細砂巖和泥巖共同構成，其厚度范圍分別為1.8～3.2 m和0.34～0.63 m，平均厚度分別約為2.5 m和0.4 m，整體上呈現出條狀分布，有離層的風險。直接底主要由粉砂巖和泥巖構成，其厚度分別為1.89～3.53 m和2.19～4.38 m，平均厚度分別為2.9 m和3.12 m，存在裂隙發育。老底主要由細砂巖、粉砂巖和泥巖構成，厚度平均值分別為2.3 m、4.6 m和2.5 m。本文主要對該工作面的運輸巷道支護方案進行分析和研究，該運輸巷截面為矩形，巷道的高度和寬度分別為3.2 m和5.0 m。

2 巷道錨桿錨索聯合支護技術方案設計

2.1 錨桿參數設計

在巷道頂部和幫部位置都需要用錨桿進行支護，其中頂部區域使用的錨桿屬于左旋無縱筋高強螺紋鋼，其直徑和長度分別為22 mm和2.8 m。錨桿之間的間距設置為0.75 m，兩排錨桿之間的距離同樣設置為0.75 m。此外還需要配合使用菱形金屬網以及鋼帶梁進行聯合支護，其中使用的鋼帶梁為M5鋼帶，其長度為5 m，金屬網的長度和寬度分別為5.0 m和0.9 m。在安裝過程中需要對金屬網和鋼帶梁進行搭接，要求搭接寬度不得小于100 mm，搭接時需要利用鋼絲對其進行牢固捆扎。幫部位置使用的錨桿屬于右旋高強度全螺紋鋼，其直徑和長度分別為22 mm和2.5 m，兩根錨桿之間的距離設置為0.7 m，兩排錨桿之間的距離設置為0.75 m。同樣需要配合使用菱形金屬網和鋼帶梁進行聯合支護，其中使用的鋼帶梁長度為3.2 m，菱形金屬網的長度和寬度分別為3.2m和0.9m。金屬網和鋼帶梁在搭接時的要求與頂板位置一樣。

錨桿在安裝時，需要使用樹脂型錨固劑，數量為兩卷，型號為Z2850。頂板位置兩邊與幫部區域臨近的兩根錨桿，分別與頂板呈30°角向外進行安裝，其余中間位置的錨桿全部與頂板保持垂直安裝。幫部位置靠上側的三根錨桿在安裝時與幫部平面呈30°角向上進行安裝，與巷道底板相鄰的兩根貓桿在安裝時與幫部平面呈5°角向下進行安裝。要求頂部位置和幫部位置錨桿的扭矩大小分別為200 N·m和100 N·m，抗拉拔力大小分別為120 kN和60 kN。

2.2 錨索參數設計

在設計的支護方案中，頂部位置和幫部位置全部使用了錨索，且使用的型號、規格全部相同，均為高強度鋼絞繩錨索，具體型號為SKP22-1/1860型，其直徑和長度分別為22 mm和6.3 m。頂板錨索之間的距離設置為1 m，兩排錨索之間的距離設置為1.5 m，采用的是“3-4-3-4”的布置形式，即其中一排設置有3根錨索，臨近一排設置有4根錨索。在幫部兩側距離頂板1.1 m的位置分別設置1根錨索，排距設置為1.5 m。為進一步提升錨索的支護效果，兩排錨索之間還需要使用18號槽鋼進行固定連接。

錨索安裝時，需要使用樹脂型錨固劑，數量為三卷，具體型號為Z2850型。幫部兩側錨索全部與幫部平面保持30°角向上進行安裝。頂板位置與幫部臨近的兩根錨索在安裝時與頂板平面保持30°角向外進行安裝，處于中間位置的錨索全部與頂板平面保持垂直安裝。安裝時錨索的預緊力全部設置為150 kN。

3 巷道錨桿錨索聯合支護方案的工業實踐應用

3.1 實踐過程監測方案設計

為了對本文設計的煤礦運輸巷錨桿錨索聯合支護技術方案的有效性和可靠性進行分析鑒定，將該支護方案應用到工業實踐中，并對巷道的表面位移變化情況、錨桿錨索載荷情況以及巷道深部位置的位移變化情況進行連續監測。在實踐中隨機選擇一個監測站進行監測。

1）巷道表面位移。對巷道表面位移變化情況進行監測時，采用的是“十字布點法”，具體如圖1所示。在矩形巷道4個表面的中間位置選擇4個點，分別為A、B、C、D，其中AB和CD交于點O。具體監測時只需要對AO、BO、CO、DO四個距離進行測量，即可推算得到巷道表面的位移變化情況。

圖1 巷道表面位移變化情況監測方案示意圖

2）錨桿錨索載荷。可以利用錨桿測力計對錨桿和錨索的受力情況進行檢測。檢測時需要對監測站截面位置所有的錨桿和錨索進行載荷測定，然后對所有錨桿的檢測結果取平均值作為錨桿載荷大小，對所有錨索的檢測結果取平均值作為錨索的載荷大小。

3）頂板深部位置位移。監測點設置在圖1中的C點，即頂板中間位置。用到的儀器設備為多點位移計。首先需要在對應位置進行打孔，然后基于多點位移計可以測量得到不同深度位置的圍巖位移變化情況。本研究中主要測量了深度分別為1 m、3 m和6 m位置的位移變化情況。

3.2 實踐應用監測結果分析

1）巷道表面位移。如圖2所示為巷道表面的位移變化情況。從圖中可以看出，在剛開始階段，不管是頂底板位移還是兩幫位移均出現了快速增加的趨勢。直到與掘進迎頭距離在32 m左右時，頂底板和兩幫位移變化才基本趨于穩定。穩定狀態下頂底板和兩幫的最大位移變形分別為46 mm和58 mm左右。在連續觀測時間范圍內，頂底板和兩幫的位移變形速率分別為2.89 mm/d和3.62 mm/d?？梢钥闯霾还苁俏灰谱冃嗡俾蔬€是最終的位移變形總量，均在可以接受的范圍內。

圖2 巷道表面位移變化情況

2）錨桿錨索載荷。如圖3所示為錨桿和錨索載荷的演變曲線。從圖中可以看出，在剛開始階段，錨桿和錨索的載荷均出現了快速的增加趨勢，隨著與掘進迎頭之間距離的不斷增大，載荷增加趨勢逐漸減緩，最終保持穩定。穩定狀態下錨桿和錨索的載荷大小分別為88 kN和146 kN左右?？梢钥闯鲥^桿和錨索的載荷均在對應材料的允許范圍內，不會對錨桿和錨索的使用構成威脅。

圖3 錨桿錨索載荷的變化情況

3）頂板深部位置位移。如下頁圖4所示為頂板深部位置位移的變化情況。從圖中可以看出，在剛開始階段頂板深部不同位置的位移變形情況變化比較迅速，最后基本保持穩定。與頂板位置越遠，則位移變化情況越小，穩定狀態下與頂板距離為1 m、3 m和6 m位置的最大位移分別為30 mm、6 mm和1 mm左右。

圖4 頂板深部位置位移的變化情況

4 結論

基于上述運輸巷相關參數監測結果可知，本文設計的錨桿錨索聯合支護技術方案取得了較好的應用效果，顯著提升了巷道圍巖的穩定性。巷道表面位移變化情況、錨桿錨索載荷和頂板深部不同位置的位移均控制在合理范圍內，不會對巷道安全構成威脅。