礦井巷道掘進中錨桿支護優化技術研究

李艷光

（晉能控股煤業集團有限公司四臺礦， 山西 大同 037000）

引言

為實現礦井巷道的快速掘進，需要對掘進、支護、運輸等工序進行合理的設計優化，使其相互間緊密銜接，降低勞動強度，提高工作效率，實現礦井開采的高產高效。在煤礦施工中，制約礦井巷道快速掘進的因素有煤礦地質狀況、掘進挖掘設備、施工工藝、施工整體隊伍及其管理、支護技術等，其中錨桿支護的工作量占整個礦井巷道掘進工作量的50%以上，是影響掘進效率的關鍵因素[1]。而錨桿支護中錨桿對巷道巖體具有很強的加固作用，表現在：一是錨桿與巷道圍巖巖體黏結成整體，使巖體的抵抗變形水平明顯提高，圍巖整體的完整性也加強；二是借助于錨桿的抗拉能力，當錨桿穿過破碎圍巖注入穩固的巖體時，對不穩固巖層發揮著懸吊作用；三是借助于錨桿的抗剪切能力，對圍巖離層起到阻礙水平，深入阻止巖層產生相對位移，各巖層間起到組合梁作用；四是借助于錨桿的支護作用形成有效的三向作用應力，有效改變邊界處圍巖巖體的受力狀況，提高巖體的整體承載能力，起到錨桿與巖體共同增強的作用[2]。由于錨桿支護對礦井巷道具有很強的錨固作用，優化錨桿支護技術可有效提高巷道掘進的效率，本文對比研究端部錨固式錨桿和全長錨固式錨桿支護技術下，巷道圍巖的變形情況，引出全長錨固式錨桿支護優化技術，錨固力值大、錨固效果好。

1 錨桿支護技術

錨桿是加固礦井巷道圍巖巖體的體系結構，其中錨桿的錨固區內長度對保護礦井巷道巖體發揮著決定性的作用。錨桿支護技術按照錨固區內長度分為端部錨固式錨桿支護、全長錨固式錨桿支護和加長錨固式錨桿支護三種，其中端部錨固式錨桿的錨固區內長度為打孔全長的1/3；全長錨固式錨桿的錨固區內長度為打孔全長的90%以上；加長錨固式錨桿的錨固區內長度位于以上兩者之中。

端部錨固式錨桿支護技術增強巷道圍巖是借助于施加給桿體的預緊力后出現的拉伸力，擠壓巷道圍巖，來提高巷道圍巖的強度和穩定性，降低巷道圍巖的變形，此技術對錨固點有著較高的要求，適用于礦井巷道圍巖穩定、構造完整且掘進開挖對巷道影響小的煤礦中。

全長錨固式錨桿支護是在錨桿安裝初期，未出現位移的圍巖不能與錨固區內的錨固體相互摩擦作用，不產生錨固作用；當圍巖出現變形，或者是錨桿和巷道圍巖間出現位移時，此時錨桿產生的剪應力不僅能約束圍巖，且能阻止圍巖的橫向變形，減小圍巖變形量，支護效果顯著[3]。

2 不同錨固區內長度錨桿的受力分析研究

錨桿支護作用下產生的錨固力為錨固段與礦井巷道巖體相互作用形成的力，作用的錨固力值越高，錨固支護效果就越好[4]。本文以某礦為例，對于研究在端部錨固和全長錨固下，礦井巷道圍巖的變形情況，得到下頁圖1 和圖2 所示的曲線圖。

在礦井巷道早期施工中，圍巖出現變形最先是在礦井巷道的最表層，隨后持續向巷道圍巖內部進行擴展延伸。當采用錨桿支護技術注入錨桿，錨桿可與巷道圍巖整體作用形成錨固體。對于端部錨桿式錨固，伴隨礦井圍巖的破碎變化，其錨固力由慢慢的增阻后逐漸衰減；對于全長錨桿式錨固，其錨固力先快速增阻上升轉為平緩，最后衰減，其中全長錨固式錨桿與礦井巷道圍巖的變化規律為：注入錨桿后，伴隨礦井巷道圍巖的變形，出現荷載最先增大的位置在錨桿的尾部，同時，錨桿體產生的最大軸力點由錨桿尾部的位置轉移至錨桿中部的位置，當巷道圍巖進一步出現變形，載荷在錨桿的端部也快速增大。對比圖1 和圖2 可知，全長錨桿式錨固體在礦井巷道圍巖持續的變形中，錨桿增阻速度較快，達到2 kN/mm，具有較大的徑向錨固力值，比圖1 端部錨桿產生的錨固力值大3 倍。綜合可得出，全長錨桿式錨固施加圍壓給錨固體后，巷道掘進引起的圍巖位移量僅為圖1 端部錨桿支護的1/2～1/3 之間，支護效果好。

在礦井巷道掘進影響降低后，圍巖處于近似穩定的狀態。圖1 中，在巷道圍巖流變期間，端部產生的錨固力值逐漸衰減，其為殘余錨固力，已無法約束圍巖的流變變形；圖2 中，全長錨固式錨桿產生的錨固力值在礦井巷道掘進時快速達到較大值，當巷道圍巖穩定后，錨桿所受的最大軸力值到達峰值，基本接近錨桿體的屈服強度，并恒定在一個穩定的區間，實際產生的錨固力值達到90 kN 左右，是端部錨桿產生的錨固力峰值的2～3 倍。此時，全長錨桿支護后對于錨固區內的破碎、軟弱圍巖重新具有承載能力，可有效抑制深部巷道圍巖變形，圍巖流變變形的速率約僅為端部錨桿的1/3。

圖1 端部錨固錨桿支護下錨桿受力變化規律

圖2 全長錨固錨桿支護下錨桿受力變化規律

在礦井巷道掘進回采期間，由于受到圍巖的劇烈干擾，變形快速加大，不斷向巷道巖體的深部延伸。此時，對于端部錨固，大部分錨桿已失效或僅存一點點殘余的錨固力，已無法控制巷道圍巖發生變形。而對于全長錨桿支護，其系統的位移量一般在300 mm 左右，如果超出這個位移量，錨桿產生的鎖緊作用就失效，伴隨巷道圍巖的變形和錨固區內錨固體體破壞程度的加劇，錨桿產生的錨固力開始衰減，出現殘余錨固力的情形，部分錨桿開始失去作用。

對比綜合可知，全長錨固式錨桿支護技術能使錨桿錨固區內形成穩定的承載體，約束礦井巷道圍巖深部的破壞和位移，有效控制礦井巷道下圍巖的變形，支護效果顯著。

3 結論

1）巷道掘進初期，全長錨固式錨桿支護增阻速度快，徑向錨固力值較大，且比端部錨桿產生的錨固力值大3 倍，支護效果顯著；

2）巷道掘進圍巖穩定時，全長錨固式錨桿支護產生的最大錨固力值達到了90 kN 左右，是端部錨桿產生的錨固力峰值的2～3 倍，支護效果顯著；

3）全長錨固式錨桿支護技術能使錨桿錨固區內形成穩定的承載體，有效控制礦井巷道下圍巖的變形，支護效果明顯優于端部錨固式錨桿支護。