巷道全斷面抗剪錨管索支護技術研究

張澤奇

（中煤華晉集團晉城能源有限公司，山西 晉城 048200）

1 工程概況

中煤華晉集團晉城能源有限公司里必煤礦進風立井井底車場2 號巷道掘進工作面位于3#煤層底板下K7 砂巖至K5 灰巖之間的泥巖中，掘進工作面沿+3‰坡度上山掘進，全長306 m，巷道斷面形狀為直墻半圓拱形，凈寬5.4 m，凈高4.5 m，凈斷面24.3 m2。設計錨網索梯+噴漿聯合支護，采用Φ20 mm×2200 mm 左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿，間排距800 mm×800 mm，錨固長度不小于1100 mm，錨桿托盤采用200 mm×200 mm×12 mm 四方托盤。頂板錨索為Φ21.6 mm×7000 mm 的鋼絞線，間排距為1600 mm×1600 mm，每排5 根，兩肩各1 根使用Φ21.6 mm×4000 mm 的鋼絞線錨索。鋼筋梯子梁采用Φ14 mm 鋼筋制作，頂部2 根長度3500 mm，幫部各1 根長度1900 mm，搭接使用，鋼筋梯寬度80 mm，橫筋間距100 mm，搭接長度為100 mm，搭接處要在托盤下壓緊。

2 巷道變形破壞特征及維護原則

2.1 巷道變形破壞特征

進風立井井底車場2 號巷道穿過巖層時圍巖破碎，巖層整體性較差，巖互層已破碎，層間錯動較多，支護錨索易被剪斷而失效。2 號巷道距地表530～560 m 屬于深埋巷道，與淺部巖體相比較，深部巖體處于高地應力、高地溫、高孔隙壓力的復雜力學環境下，圍巖隨著時間的增長而產生顯著的蠕變現象，增加了巷道支護難度。

深埋巷道開挖后，與淺部圍巖不同之處在于深埋巷道內的應力無法依靠圍巖自身的承載能力實現穩定狀態，而是在較短時間使巷道周邊發生較大的徑向位移，圍巖與深部巖體形成不連續的介質面，必須要采取針對性的支護措施，防止巷道的破壞失穩。

2.2 巷道維護原則

為了滿足2 號巷道安全生產需要，必須對其進行支護優化，主要原則如下：

（1）采用抗剪錨管索支護結構取代以往普通的錨桿+錨索結構，可以有效抵抗層間錯動，進而可以保護錨桿+錨索在受到剪切力的作用下不會發生被剪斷和拉斷的現象，同時對巷道頂板支護設計及參數進行優化，實現協同支護。

（2）加強2 號巷道兩幫支護，提高錨固煤體的基礎剛度。基于巷道“強幫強角”支護原理，對巷道兩幫錨桿參數進行優化設計，增加巷道對頂板的支承作用，減小巷道實際跨度和懸頂距離。

3 巷道全斷面抗剪錨管索支護方案

煤礦巷道一般采用錨桿、錨索、金屬網及鋼帶聯合支護，可以充分發揮圍巖的自承作用，但是在抵抗剪力方面錨索有著致命的缺陷，容易受到剪切力而受力不均被拉斷，給巷道安全和維護成本都帶來了巨大的麻煩。抗剪錨管索具有較好的抗剪強度，在深埋巷道、穿層掘進中的支護效果理想。基于2號巷道工程地質實況，提出了全斷面抗剪錨管索支護設計優化方案[1-6]，具體如下。

3.1 抗剪錨管索支護

抗剪錨管索結構如圖1，通過在深部裂隙巖體中增加巖體節理面的方法來增加其抗剪性能。（1）開縫鋼管自身較高的抗剪強度+開縫鋼管與巖體形成的機械互鎖力，有效提高巷道抗滑移變形等能力；（2）錨索自身較高的抗拉強度+錨索形成軸向拉伸力，有效提高巷道抗滑移變形等能力。

圖1 抗剪錨管索結構示意圖

3.2 抗剪錨管索安裝措施

抗剪錨管索設備及材料：（1）準備Φ32 mm金剛石復合片錨桿鉆頭；（2）Φ28 mm、長度2 m開縫鋼管；（3）金剛石復合片錨桿鉆頭連接安裝在開縫鋼管的頭端，開縫鋼管與錨桿鉆機連接件由錨桿托板和鉆桿、內徑25～30 mm 鋼管及錨桿螺母焊接而成；（4）采用MQT-130/3.2 型氣動錨桿鉆機。

3.3 抗剪錨管索安裝工藝

2 號巷道抗剪錨管索安裝順序為：打眼→插入錨固劑→安裝開縫鋼管→安裝錨索→掛網→掛鋼帶→安裝托板、鎖具→施加預緊力。

（1）鉆眼，采用Φ32 mm 鉆頭鉆錨索孔；（2）按設計要求插入樹脂錨固劑，插入錨索和開縫鋼管，安裝并攪拌，要求開縫鋼管無外露，部分錨固劑位于開縫鋼管和鋼絞線之間；（3）待錨索安裝15 min 后方可安裝托板和墊片并預緊打壓。

3.4 抗剪管索錨固力計算

確定統一采用Φ23 mm 錨固劑，21.6 mm 錨索，鉆孔Φ32 mm 狀態下，錨固長度的計算公式為：

通過計算可知，錨索固長度l應≥1.05 m。

錨索每孔應用1 支CK2355+1 支K2355 時，錨固劑總長度l為1.2 m，根據公式（2）計算l0為：

根據抗剪管索錨固力計算結果，在Φ32 mm 鉆孔下施工安裝Φ21.6 mm 錨索，樹脂錨固劑采用1支CK2355 和1 支K2355，錨固力符合要求。

4 2 號巷道錨固支護及參數優化方案

基于2 號巷道工程地質實況，提出全斷面抗剪錨管索方案+噴漿聯合支護方案。頂板采用規格為Φ21.6 mm×3200 mm 錨索，配合長度2000 mm 的開縫鋼管（16Mn 鋼制作，其尾端外徑為33 mm，頭端外徑為29 mm），端頭錨固加長錨固方式；幫部采用Φ21.6 mm×3200 mm 錨索，配合長度為2000 mm 的開縫鋼管進行加強支護，加長錨固方式。具體布置方案如下：

頂板支護：頂板采用9 根抗剪錨管索，間排距800 mm×800 mm，第5根抗剪錨管索位于頂板中線，掛Φ6 mm 的鋼筋網，配合6800 mm×280 mm×3 mm 的W 鋼帶進行支護；抗剪錨管索主要是Φ21.6 mm×3200 mm 的鋼絞線錨索和Φ28 mm×2000 mm 的Q345 開縫鋼管。錨索鋼絞線外露長度范圍為150～250 mm，配套采用300 mm×300 mm×14 mm 高強度球形托板及配套鎖具，為增加錨索延伸率加墊 300 mm×300 mm×100 mm 的木托盤。每根抗剪錨管索采用1 支CK2355 和1 支K2355 樹脂錨固劑。

墻部支護：兩幫各采用2 根抗剪錨管索，間排距800 mm×800 mm，最下1 根錨管索距底板350 mm，其他支護方案與參數與頂板支護一致。

噴射混凝土采用P·O42.5 的水泥，噴射混凝土強度為C25，噴厚150 mm。如圖2。

圖2 2 號巷道支護優化方案示意圖（mm）

5 結語

通過對2 號巷道的現場觀測發現，頂板及兩幫最大位移量較小，巷道圍巖穩定性較好。說明全斷面抗剪錨管索支護優化方案的應用能夠有效減小進風立井井底車場2 號巷道頂底板及兩幫的收斂變形，提高了巷道圍巖的穩定性，支護效果理想，可以節約支護材料，提高支護效率，為企業創造良好效益。