軟巖巷道改善反底拱錨桿支護效果的途徑

孔凡軍，王維，王永寶，管彥太，劉漢慈，趙寶相，李杰

(內蒙古上海廟礦業有限責任公司， 內蒙古 鄂爾多斯市 016299)

0 引言

隨著煤炭工業的快速發展，全國煤炭賦存條件較好的礦井儲量越來越少，開采條件也越來越復雜。而軟巖礦井煤炭資源由于開采技術不夠成熟，存在大量資源等待開發的問題。軟巖地質條件礦井錨桿支護體系應采用全長錨固技術，在傳統的錨桿支護設計過程中沒有對底板錨桿技術參數進行計算和驗算，現有的參數設計主要以計算圍巖松動圈深度為主。

上海廟礦區巖層主要以泥巖及砂質泥巖等軟巖地層為主，開拓、采準及回采巷道支護的對象都是抗壓強度低的軟巖，而軟巖地層巷道支護的重點是底板治理，反底拱錨桿的錨固力是底板治理的最關鍵因素，需要進一步提高軟巖巷道錨桿（索）錨固質量，從而達到保證巷道成型、減少巷道維護成本的要求。

1 軟巖巷道變形破壞特征及原因分析

巷道底板首先變形（底鼓）。通過十字布點觀測巷道變形量，通常情況下底板變形值大于頂幫收斂變形值。主要原因是在施工過程中頂幫錨桿支護較為及時，施工方便、孔內巖粉容易清掃、頂幫巖層含水容易排出等，錨桿錨固力容易滿足要求。而多數礦井巷道底板不支護，且容易積水，造成底板巖石更加容易弱化。由于受施工條件、工序、設備的影響，底板支護嚴重拖后于頂幫支護。

底板變形表現為整體底鼓，底板錨桿與巖體整體鼓起，一般很難發現拔出的錨桿有整體斷裂的現象。其根本原因歸結于底板錨桿桿體抗拉強度沒有充分發揮，造成支護強度浪費。近年來，軟巖礦井巷道支護錨桿多采用屈服強度為 400 MPa～600 MPa的高強桿體錨桿。由于軟巖地層施工的錨桿孔內壁存在泥、水，造成錨固劑錨固力迅速下降。隨著時間的推移，水的弱化效應逐漸加強，導致錨桿支護的失效。當軟巖巷道底板采用錨桿支護時，底板巖石更容易被施工水、頂板淋水、巖層富水等因素弱化底板錨桿支護效果。底板施工錨桿孔更加困難，容易造成孔內積水、孔內巖粉清掃不干凈、巖粉泥化等，進一步降低錨固劑與孔壁的粘結強度。為此軟巖巷道首先應該解決錨桿錨固端錨固力不足的問題。只有在錨固端錨固力大于錨桿破斷力的時候，才能充分發揮錨桿桿體的抗拉強度。

施加預緊力端（錨桿盤）容易下陷，導致整個錨桿支護體系失效。錨桿預緊力通過錨桿帽施加在錨桿盤上，而錨桿盤直接與軟巖接觸。當軟巖表面遇水、風化、自身抗壓強度低、錨桿盤受較大預緊力、后期抵抗巷道變形產生更大作用力時，容易造成錨桿盤下陷。當錨桿發生下陷時，其抵抗巷道變形能力逐步喪失，進一步使得巷道圍巖松動圈繼續向深部轉移，當松動圈波及錨固端時，則整個錨桿支護失效。

2 改善底板錨桿支護效果途徑

2.1 提高錨桿錨固端錨固力

在底板采用錨固劑及弱膨脹水泥漿配合全長錨固方法，增強隔水及錨固效果。底板有水時，眼孔內含水形成黏泥影響錨固劑與孔壁的錨固。采用傳統做法只能滿足預緊力要求，當巷道來壓時不能保證錨固端滿足錨桿屈服及破斷力的要求，造成錨桿與錨固劑整體拔出，使得整體支護失效。

采用全長錨固后能起到封閉巖石隔水、增加錨固長度、提高錨固力作用。具體做法是底板先找出反底拱弧形底，施工完錨桿眼，在錨桿孔內放入錨固劑，然后注水泥漿，最后施工錨桿。

改變工藝施工順序，使錨固端形成足夠的錨固力后再施加預緊力。采用傳統做法先施工錨桿眼，然后掛網支護，支護完成后再噴漿。由于錨固劑攪拌后凝固時間短，再加上沒有進行注漿或是注漿后水泥漿沒有足夠的時間初凝，容易造成錨固端錨固力沒有達到最佳狀態。

經過優化施工順序，先施工錨固劑配合水泥灌漿錨桿全長錨固錨桿，且不進行掛網支護，而進行初噴漿作業，使得錨固劑和水泥漿有足夠的初凝時間，2道工序的時間間隔大約5 h，有足夠的初凝時間，使得錨固力達到最大值，然后掛網、增加錨桿盤支護，掛網支護后進行二次反底拱噴漿封閉。

2.2 增加預緊力端抗剪切強度及受力面積

當錨固端錨固力足夠大時，施加預緊力的錨桿盤端巖石沒有足夠的抗壓抗剪強度時，容易造成錨桿盤下陷，隨著時間推移，錨桿預緊力失效以至于不能滿足設計要求，導致反底拱支護失效。通過初噴后上錨桿盤，錨桿盤壓在網片及噴漿層上，使得錨桿盤有穩定的著力點，錨桿容易達到設計預緊力。

反底拱初噴100 mm，初噴后掛網并上錨桿盤，錨桿盤施加在網片及噴漿層上面，解決了錨桿盤作用力在底板軟巖上，造成下陷、錨桿預緊力不夠。

掛網支護后進行二次噴漿，2次噴漿與錨桿盤、帽、網片形成整體，有效增加了施壓端的受力面積和抗剪切強度。錨桿錨固端與施壓端同時作用形成擠壓拱，反底拱錨桿與幫部錨桿同時作用保證了巷道的完整。

2.3 增加底板弧度、降低巷道寬度（跨度）

在不增加錨桿長度的情況下，通過增加護表面積、大托盤、W型護板、高強金屬網等方式，增加了壓縮拱的厚度，使得頂底板承載能力更強。

通過減少巷道寬度，使得擠壓拱厚度不變的情況下，承載能力進一步加強。類似于相同管壁厚度的鋼管，其直徑越小，則其抗徑向壓力越強。通過現場實踐的統計數據表明：其他參數不變的情況下，當巷道跨度增加，巷道變形量成指數特征變化。因此在實際生產過程中應盡量降低巷道寬度，以減少巷道變形。

軟巖巷道底板弧度增加不僅對減少巷道底鼓有效果，也適用于巷道頂板。當頂板增加頂板弧度時，也有利于減少頂板的下沉量。

2.4 其他方面

反底拱需要及時支護，滯后掘進迎頭不超過50 m，減少巷道圍巖塑性破壞變形，甚至在彈性變形區域內對底板進行有效支護，使巷道形成完整的擠壓拱，對抗巷道壓力變形。

做好水的控制，底板巖石遇水變軟，容易崩解、強度大大降低。底板支護應考慮盡量減少底板暴露和泡水的時間，隨著時間的延長，底板弱化愈加嚴重，一旦底板長時間未得到有效支護就會造成底鼓，反復起底后就容易造成巷道的整體失穩，一旦失穩后再進行維修就很難保證成型。在巷道內低洼點每隔一段距離挖深度超過2 m的沉淀池，將巷道內由于施工及頂板淋水引入水窩，減少底板巖石含水量，提高抗壓及抗應變能力。

施工完錨桿眼，馬上進行注錨桿，減少底板滲水造成孔內巖石被水浸泡而軟化的時間。

3 實施效果分析

礦井地質條件中等，某工作面順槽沿煤層、留部分頂煤掘進。巷道寬4.0 m，高3.2 m，馬蹄形斷面。輔運順槽頂底板巖性見表1。

按照上述技術方案，在某礦某工作面輔運順槽進行試驗。巷道反底拱錨桿支護效果明顯提高，確保了巷道穩定性。

現場對輔運順槽成巷（底板支護形成）后位移進行監測，采用十字測點法對巷道的掘進期間以及回采期間超前200 m以外的地段進行觀測。巷道位移監測曲線見圖1。

由圖1的觀測曲線可知，輔運順槽巷道成型后18個月內頂底板總移近量小于350 mm，兩幫總移近量小于120 mm。巷道成巷之后3～5個月變形量接近最大值，5個月以后巷道變形量趨于穩定。

表1 運輸順槽頂底板巖性

圖1 巷道位移量監測曲線

4 結論

采用錨固端提高錨固力，施加預緊力端提高抗剪、抗壓強度的方式使反底拱錨桿完全滿足設計錨固力、預緊力的要求。施工完成后，反底拱錨桿與幫部的支護錨桿配合形成圍繞巷道輪廓的完整擠壓拱。利用施工工序的變化，使得施加預緊力的錨桿盤端抗剪切、抗壓強度增加，從而保證了錨桿錨固力以及后期由于巷道變形產生的承載壓力，直至錨桿破斷力，錨桿的桿體強度得到最大利用。

通過現場實測，巷道成型后 18個月內頂底板總移近量小于350 mm，兩幫總移近量小于120 mm，使巷道變形得到了有效控制。巷道維修量減少85%，成巷整體復修率為1%以下。工作面順槽支護每年減少巷道維修量600 m，減少維修人工費及材料費180萬元，為回采工作面提供快速推采創造了有利條件。