煤礦巷道錨固支護的研究

李成文

（南煤集團南莊分公司， 山西 陽泉 045000）

引言

巷道支護效果的好壞，對煤礦生產的順利推進以及井下人員的安全都有著非常重要的作用[1-2]。實踐過程中發現，對于圍巖結構不是非常穩定的巷道，在開展巷道支護過程中容易出現支護構件損壞、冒頂、片幫等問題[3-4]。因此，有必要對巷道支護方案進行深入的分析和研究，以尋求更加優異的巷道錨固支護方案，保障煤礦巷道的正常運行，降低巷道支護的維護成本[5-6]。

1 煤礦巷道總體情況

某現代化大型煤礦當前階段主要開采的是2 號煤層，該煤層的厚度范圍大約在6.24～8.36 m，平均煤層厚度為7.35 m，屬于近水平煤層。其中的一個運輸巷道沿著煤層底板進行布置，該巷道的斷面尺寸（寬度×高度）為5.4 m×3.7 m，埋深在600～650 m左右。巷道有一段區域圍巖存在斷層現象，中部區域屬于構造盆地，圍巖結構整體上比較松散，甚至有部分地方存在空洞的現象。煤礦開采過程中有發生冒頂、片幫等問題的可能性。為了保障煤礦生產安全，有必要對此運輸巷道進行錨固支護。

2 煤礦巷道錨固支護方案的設計

2.1 頂板支護方案研究

每排設置6 根錨桿，各錨桿之間的距離相等，錨桿的間距和排距全部設置為1 m，兩側錨桿與巷幫的距離為0.2 m。不管是頂板還是兩幫采用的錨桿規格尺寸全部都是500 號Φ22-M24-2400 mm，屬于左旋螺紋鋼錨桿，通過直徑為30 mm 的鉆頭進行鉆孔。對于頂板錨桿，通過2 支樹脂錨固劑對其進行加長錨固，2 支樹脂錨固劑的規格分別為MSK2335 和MSZ2360。對于巷道兩幫的錨桿，通過1 支樹脂錨固劑對其進行加長錨固即可，型號為MSZ2360。位于兩肩角部位的錨桿安裝時傾斜10°，其余部位的錨桿安裝時全部和煤巖面保持垂直。錨桿安裝時還需要用到一些配件，主要包括M24 高強錨桿螺母、規格尺寸為150 mm×150 mm×10 mm 的拱形高強度鐵托板且拱高為36 mm、尼龍墊圈和配合球墊等。鋼帶通過直徑為14 mm 的鋼筋焊接制作而成，具體尺寸為Φ14×2-100-950-5050 mm-6。網片的長度和寬度分別為5.8 m 和1.1 m。錨索安裝在兩排錨桿的中間位置，且通過“3-2-3”的方式進行布置，即在其中的一個隔排巷中布置3 根錨索，相鄰錨索間的距離設置為1.8 m。而在相鄰的一個隔排巷中布置2 根錨索，相鄰錨索間的距離同樣為1.8 m。錨索的直徑為22 mm，長度為7.3 m。錨索的結構形式有很多種，下文將會對不同錨索結構形式對錨固支護效果的影響進行研究。安裝錨索時通過3 支樹脂錨固劑進行藥卷錨固，其中MSZ2360 型號2 支，MSK2335 型號1 支。拖板使用的是規格尺寸為300 mm×300 mm×16 mm 的高強度可調心拖板，同時還需要使用配套的鎖具和球墊。要求托盤拱高超過60 mm，承載能力超過400 kN。

2.2 兩幫支護方案研究

每排設置4 根錨桿，錨桿的間距和排距全部設計成1 m，最上側錨桿距離頂板0.3 m，最下側錨桿距離底板0.4 m。最上側和最下側的錨桿安裝時傾斜10°，其余部位的錨桿安裝時全部與煤巖面保持垂直。鋼帶通過直徑為14 mm 的鋼筋焊接制作而成，具體尺寸為Φ14×2-100-1000-3300 mm-4。網片的長度和寬度分別為3.5 m 和1 m。根據具體情況可以對底板進行鉆孔卸壓處理，不同孔之間的橫向和縱向距離都設置為1 m，孔的直徑為0.2 m，長度為2.4 m，見下頁圖1。

圖1 煤礦巷道錨固支護方案斷面圖（單位：mm）

3 煤礦巷道錨固支護關鍵參數的優化

為了明確巷道錨固支護方案中的一些關鍵參數，本研究中利用FLAC3D 數值模擬軟件對設計的錨固支護方案進行模擬分析。主要分析了不同錨桿預緊力和不同結構形式的錨索對錨固支護效果的影響。

3.1 錨桿預緊力對巷道錨固支護效果的影響分析

為掌握不同錨桿預緊力對巷道錨固支護效果的影響，利用上述的頂板和兩幫支護方案開展數值模擬工作。在其他條件全部相同的情況下，預緊力在30～150 kN 范圍內取值，每間隔30 kN 取一個值進行模擬分析計算。完成分析計算工作后，對計算結果進行統計分析，得到巷道頂板和兩幫的位移變形情況。結果如表1 所示。

表1 不同錨桿預緊力時頂板和兩幫的位移變形量

從表1 中數據可以看出，隨著錨桿預緊力的不斷增加，頂板的最大位移量先逐漸降低然后再慢慢增加。預緊力為90 kN 時為拐點。當錨桿預緊力為90 kN 時頂板的位移量最小，為120.39 mm。兩幫位移量與頂板位移量表現出相同的變化趨勢，同樣在90 kN 時兩幫的位移量達到了最小值，為131.45 mm。基于上述分析結果可以看出，錨桿預緊力會對巷道頂板和兩幫的位移變形量產生影響。當預緊力為90 kN 時，頂板和兩幫的變形量均達到了最小值。因此，在本文設計的巷道錨固支護方案中將錨桿預緊力設置為90 kN。

3.2 不同結構錨索對巷道錨固支護效果的影響分析

錨索是巷道錨固支護中的重要構成部分，其性能的優劣會對整個錨固支護方案的好壞產生決定性影響。因此，必須合理選用錨索結構形式。本文主要對比了兩種錨索形式對錨固支護性能的影響，其中一種為普通錨索，另外一種為特殊的鳥巢錨索。鳥巢錨索的特殊之處在于在整個錨索上分布有很多鳥巢結構。以錨索結構為控制變量，其他條件全部相同，且將錨桿預緊力設置為90 kN。圖2 所示為不同錨桿結構形式對應的位移變形云圖。

圖2 不同結構錨索桿體的位移（m）變形情況對比

從圖中數據可以看出，使用不同結構形式的錨索時，其延伸變形量存在一定的差異。但是在與圍巖比較接近的部位，兩種結構的錨索位移基本相同。主要是因為這部分錨索與圍巖一起發生變形。而在比較深的位置，普通錨索的位移量與鳥巢錨索的位移量相比較更大，說明普通錨索在錨固過程中會與圍巖之間發生更大的錯位位移。鳥巢錨索具有更加優異的錨固性能。因此，在本方案中通過鳥巢錨索的形式進行錨固支護。

4 煤礦巷道錨固支護效果的監測分析

根據本文設計的煤礦巷道錨固支護技術方案進行錨固施工。完成施工工作后，對錨固支護效果進行監測。沿巷道方向每間隔1 m 設置1 個監測站，總共設置了3 個監測站。對每個監測站每天都測量該處位置頂板和兩幫的位移變形情況。下頁圖3 所示為巷道頂板和兩幫的位移變形情況隨時間的演變曲線。

圖3 巷道頂板和兩幫的位移變形情況實際檢測結果

從圖3 中可以看出，隨著時間的推移，不管是巷道頂板還是兩幫的位移變形量均出現了一定程度的增加。且在前30 d 時間范圍內位移變形的速率相對較大，頂板和兩幫的位移變形速率最大時分別達到了每天4.3 mm/d 和5.1 mm/d。隨后增加速率逐漸減緩，達到40 d 左右時，位移變形量基本保持穩定，不再發生明顯的變化。達到穩定狀態時，三個監測站的頂板位移量分別為118 mm、109 mm 和135 mm，兩幫的位移量分別為114 mm、137 mm 和157 mm。可以看出，通過本文設計的錨固支護方案，將巷道的變形量控制在了合理范圍內，達到了預期效果。