強(qiáng)動壓巷道柔性錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)及工業(yè)性試驗(yàn)分析

郭軍亮

（晉能控股集團(tuán)寺河礦，山西 晉城 048200）

目前，國內(nèi)的礦井主要采用井工作業(yè)方式，對大型礦井隧道的開挖要求較高。煤礦巷道圍巖應(yīng)力是近幾年來隨著礦井生產(chǎn)的不斷擴(kuò)大而不斷增長的，這給礦井的圍巖穩(wěn)定帶來了諸多困難。在巷道開挖初期，由于支護(hù)巷道圍巖的初始支護(hù)方案存在著諸多不完善的問題，造成了巷道圍巖體的大量變形，很難適應(yīng)實(shí)際施工要求，需要對其進(jìn)行最優(yōu)的支撐條件的研究。

礦井井筒的穩(wěn)定性是礦井安全、有效的保障。由于煤層的開采深度越來越深，采礦過程中的采動壓力對其支護(hù)影響作用越來越大，造成了一定的損傷和破壞，嚴(yán)重時(shí)會造成整個(gè)巷道的穩(wěn)定性。在強(qiáng)動壓巷道的支護(hù)問題的研究上，國內(nèi)外已進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，并已有一些結(jié)果。孫利輝等[1]對極軟煤體的物理機(jī)械特性和破壞機(jī)制進(jìn)行了分析，并提出了采用短錨+長錨的全錨索加固技術(shù)；趙國棟[2]等人對水力壓裂進(jìn)行了優(yōu)化，采用了主動+被動+改性注漿法，實(shí)現(xiàn)了維護(hù)巷道的穩(wěn)定性；張占濤[3]等對受動壓對煤柱內(nèi)支撐壓力的分布特點(diǎn)以及煤柱內(nèi)部的變形特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并提出了采用高強(qiáng)度支架加金屬網(wǎng)架的強(qiáng)力錨桿支撐體系；任碩等[4]對復(fù)合頂板錨桿的預(yù)應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，并對其在軟巖和硬巖中的作用進(jìn)行了分析，并給出了“動力錨固—應(yīng)力擴(kuò)散”的支護(hù)方案；本文主要研究了W2302切眼巷支護(hù)中存在的支護(hù)密度大、支護(hù)費(fèi)用高、施工速度緩慢、動壓影響等現(xiàn)象[1]。采用超高強(qiáng)度的柔性錨桿支護(hù)技術(shù)，對回采巷的支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化，減少了支護(hù)的費(fèi)用，并減少了后期維護(hù)的工作量，確保了礦井的安全，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會效果。

1 概況

晉能控股集團(tuán)某煤礦W2302切眼設(shè)計(jì)施工長度為296.25m；切眼和尾巷中對中距離為40m；切眼、尾巷延伸段設(shè)計(jì)施工長度為85.43m。工作面整體處在一個(gè)中間高兩頭低的寬緩背斜構(gòu)造中,坡度變化范圍為0°~5°。

老頂為薄砂巖，厚度范圍為5.55~7.05m，平均厚度6.30m，頂層砂巖的特征為灰色中厚層，以石英長石為主要成份，含有植物類礦物，且縱向裂縫較多，f的取值為4~8；直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度范圍2.32~3.97m，平均厚度3.15m，巖石層特征為灰黑、塊狀、凹凸斷裂，有大量的植物化石，f的取值為2~4；直接底為一層厚度1.29~4.53m、平均厚度2.91m 的砂質(zhì)泥巖層，巖性呈灰黑、塊狀、凹凸?fàn)顢嗔眩写罅康闹参锘琭的取值為2~4。老底為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和泥巖，厚度4.90~6.35m，平均厚度5.63m，呈灰色，中厚層，以石英長石、礦物礦物和縱向裂縫為主要組成，f的取值為4~8。

2 W2302切眼超高強(qiáng)柔性錨桿支護(hù)方案

W2302 切眼在煤層頂板上開挖，長度296.25m；該巷道的寬×高為5.5m×3.8m，該礦W2302 切眼的支撐結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 W2302切眼/尾巷支護(hù)布置示意（單位：mm）

2.1 頂板支護(hù)

2.1.1 超高強(qiáng)柔性錨桿支護(hù)

超強(qiáng)撓性錨桿是MSRG1860-17.8/4300桿，采用1×7 股高強(qiáng)度、鋼絲的預(yù)應(yīng)力設(shè)置為低松弛狀態(tài)，具有1860MPa的強(qiáng)度，17.8mm的直徑和4300mm的長度[2]。

加長錨固，錨桿采用MSK23351 根，MSM2360 樹脂藥卷4根，錨桿直徑30mm，錨桿長度2495mm。

超高強(qiáng)度的撓性錨索排列：行間距1200mm，列間距1000mm，每列設(shè)置5個(gè)超強(qiáng)柔性錨索。

用16mm直徑的圓鋼管進(jìn)行了鋼筋托梁的連接，其寬度為100mm，長度為4950mm。

超強(qiáng)力的撓性錨桿支架由高強(qiáng)度的支架支撐。托板大小：300mm×300mm×16mm。

除了左、右兩個(gè)在超高強(qiáng)柔性錨桿垂直線上以10°打設(shè)外，其他打設(shè)的角度均為垂直方向。

頂錨固扭矩400N·m。

2.1.2 錨索支護(hù)

錨具類型及規(guī)格：采用直徑21.6mm、1×19 股高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲繩，長度6300mm。

錨桿錨固形式：采用MSK23351 根，MSM23602 根，錨桿直徑為30mm，錨桿長度為1970mm。

纜繩布局：纜繩間隔2000mm，每列1000mm，打設(shè)方向均為垂直于頂板方向。

制支架由16mm 的圓鋼進(jìn)行焊接，其寬度為100mm，長度為4150mm。

纜繩支架是一種高強(qiáng)度的支架。托盤大小:300mm×300mm×16mm。

錨索全部垂直頂板打設(shè)。

在初始張拉時(shí)，錨桿的預(yù)應(yīng)力應(yīng)在300kN以上，應(yīng)力損失后不得低于250kN。

2.2 幫部支護(hù)

2.2.1 錨桿支護(hù)

螺栓類型及規(guī)范：采用MSGLW-600/22×2400的合金螺栓，采用特級熱處理的左旋無肋螺旋鋼，鋼材編號CRM600，其屈服強(qiáng)度600MPa；棒身22mm，長2.4m，其伸展系數(shù)不少于20%，吸收能量不少于40J；螺釘后端的螺紋M24，其長度為120mm。

錨固方法：使用MSK2335、MSM2360兩種不同的樹脂加固材料，其孔直徑為30mm，錨桿長度為1208mm。

錨桿排列：每排打設(shè)5 個(gè)，每個(gè)間隔850mm，每列間隔900mm。

鋼制支架由16mm 的圓鋼進(jìn)行焊接，其寬度為100mm，長度為3550mm。

錨索使用高強(qiáng)度的弓形托板。托盤的大小：150mm×150mm×8mm。

該產(chǎn)品為10 號鋼絲編織的經(jīng)緯網(wǎng)罩，網(wǎng)眼尺寸為50mm×50mm，規(guī)格為3600mm×1000mm。采用16 號鉛線連接，雙線雙鉤，孔洞連接。

錨桿間隔為850mm，每列5個(gè)，每列距900mm。

錨桿左、右兩個(gè)肩部沿垂直線10°打設(shè)，左、右兩支沿垂直線10°打設(shè)，其余打設(shè)角度為垂直于巷道的方向。

幫錨固扭矩300N·m。

2.2.2 錨索支護(hù)

錨具類型及規(guī)格：采用直徑21.6mm、1×19 股高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲繩，長度5300mm。

錨固方法：用3 根樹脂加固，1 根MSK2355,2 根MSM2360。鉆孔直徑不大于30mm，錨固長度約為1970mm。

錨索布局：工作面外幫按“2-0-2”型排列，每列為1000mm，間隔為2300mm，距頂部和底部均為750mm。內(nèi)部沒有設(shè)置纜繩。

纜繩支架采用高強(qiáng)度支架。托盤大小：300mm×300mm×16mm。

錨索全部垂直外幫打設(shè)[3]。

在初始張拉時(shí)，錨桿的預(yù)應(yīng)力應(yīng)在300kN以上，應(yīng)力損失后不得低于250kN。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

在對巷道支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，必須對巷道的變形量、錨桿和錨桿的受力情況進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行支護(hù)方案的評估，必要時(shí)可適當(dāng)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。該工程的目的是對井巷的地表位移進(jìn)行監(jiān)測，其中包括頂?shù)椎南鄬ξ灰坪蛢蓭偷南鄬σ苿印Ｔ诰嘣囼?yàn)巷口50m、100m處設(shè)置2個(gè)監(jiān)測站，并在每個(gè)監(jiān)測站內(nèi)設(shè)置2個(gè)監(jiān)控?cái)嗝妫越徊娌键c(diǎn)法安設(shè)，測量點(diǎn)的基點(diǎn)安裝一定要可靠。在試驗(yàn)剖面布置當(dāng)日進(jìn)行首次測量，其后每日一次，20d 之后每隔2d 進(jìn)行一次。圖2 和圖3為兩個(gè)測點(diǎn)在巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化后，頂板位移和兩幫位移的變化情況。

圖2 1號測站巷道表而位移

圖3 2號測站巷道表而位移

根據(jù)圖2、圖3 的監(jiān)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用超高強(qiáng)度柔性錨桿后，對巷道的動壓效應(yīng)明顯降低。掘進(jìn)速率隨時(shí)間的變化由快變緩，雙幫和頂板移動量逐步增大，至22d，測站1 頂?shù)装逦灰七_(dá)到265.1mm，兩幫位移在20d 內(nèi)達(dá)到196.5mm，并趨于平穩(wěn)。在20d 內(nèi)，兩測站一頂?shù)装逦灰七_(dá)到258.1mm，兩幫的位移在20d內(nèi)達(dá)到180.3mm，并趨于平穩(wěn)[4]。結(jié)果表明，優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)對圍巖的控制作用是顯著的，其自承力得到了改善，而且在開挖后圍巖的穩(wěn)定性得到了顯著的改善，對W2302 切眼的破壞實(shí)現(xiàn)了有效的控制，從而驗(yàn)證了超高強(qiáng)度撓性錨桿支護(hù)工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)是合理的。

4 結(jié)論

（1）該文主要研究了W2302 切眼支護(hù)中存在的支護(hù)密度大，支護(hù)費(fèi)用高、施工速度緩慢等現(xiàn)象。采用超高強(qiáng)度的柔性錨桿支護(hù)技術(shù)，對回采巷的支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化，減少了支護(hù)的費(fèi)用，并減少了后期維護(hù)的工作量，確保了礦井的安全，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會效果。

（2）工業(yè)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，超強(qiáng)柔性錨桿支護(hù)技術(shù)及合理的支護(hù)參數(shù)使其自承力得到改善，圍巖控制效果顯著。通過對W2302 切眼的支護(hù)，使巷道抗動壓力的能力得以增強(qiáng)，巷道開挖后的圍巖穩(wěn)定性也大幅度降低，使巷道的變形速率和變形量都有所降低，從而對W2302切眼的不利變形進(jìn)行了有效的控制，結(jié)果表明，超強(qiáng)柔性錨桿支護(hù)工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)是合理的。