煤礦巷道錨桿支護(hù)應(yīng)用分析

呂迎春，蘇麗君，劉 偉

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272102）

0 引言

錨桿支護(hù)在我國(guó)當(dāng)今煤礦巷道支護(hù)方案中經(jīng)常采用的重要方法，這種支護(hù)方式和我國(guó)傳統(tǒng)的支護(hù)相比，在很大程度上提升了支護(hù)效果，并且減少了巷道支護(hù)的投入資金，輕緩了巷道支護(hù)施工的勞動(dòng)強(qiáng)度，為煤礦井下工作面的快速掘進(jìn)做出了突破。

掌握煤礦巷道圍巖的受力情況，熟悉煤礦巷道圍巖的變形規(guī)律，運(yùn)用圍巖和支護(hù)體的相互受力作用關(guān)系，是進(jìn)行煤礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵核心，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煤礦巷道錨桿支護(hù)進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的成果，在實(shí)際煤礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中產(chǎn)生了指導(dǎo)意義。其中，康紅普[1]-等深入剖析研究錨桿支護(hù)的受力作用機(jī)制，研究提出了高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)理論，起決定性作用的是錨桿預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散作用。劉洪濤[2]-等研究創(chuàng)新出一種新型的可接長(zhǎng)錨桿，這種錨桿解決了在大變形巷道支護(hù)過程中的技術(shù)難題。戴俊[3]-等通過運(yùn)用錨桿和圍巖的相互作用原理，并結(jié)合監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為達(dá)到錨桿支護(hù)的更強(qiáng)效果提出見解。張向陽[4]-等通過分析巷道圍巖應(yīng)力、形變和破壞的特征對(duì)錨桿支護(hù)回采巷道圍巖力學(xué)特征受不同煤層傾角變化所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究說明。

本文以興隆莊煤礦4300軌道巷底為主要研究對(duì)象，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，對(duì)其錨桿支護(hù)效果進(jìn)行研究，按照支護(hù)方案進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)，并對(duì)巷道支護(hù)方案的實(shí)踐效果進(jìn)行了分析。

1 工程背景

興隆莊煤礦系國(guó)家六五重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，是中國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造的第一座設(shè)計(jì)年產(chǎn)300萬t的大型現(xiàn)代化礦井，井田面積54km2，地質(zhì)儲(chǔ)量7.8億t，可采儲(chǔ)量3.8億t?，F(xiàn)核定生產(chǎn)能力已躍升至年產(chǎn)660萬t。煤礦于1981年12月21日建成投產(chǎn)以來多次承擔(dān)國(guó)家技術(shù)改造實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

巷道長(zhǎng)度300m，埋深350m。頂板為中砂巖：灰白色中砂巖，以石英、長(zhǎng)石為主要成份，鈣質(zhì)膠結(jié)，堅(jiān)硬，局部裂隙發(fā)育，夾有黑色條帶，并見有黃鐵礦，RQD值74%。普氏硬度f=6～13。

斷面形狀采用直墻三心拱，跨度為6.4m，高度為4.8m，斷面面積為27.648m2，錨網(wǎng)噴支護(hù)為主要支護(hù)方式，在巷道兩肩處增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)錨索。支護(hù)材料為金屬網(wǎng)、左旋無縱筋螺紋鋼錨桿、樹脂錨固劑、鋼筋梯和混凝土噴射（水泥、石子、沙子）。

2 巷道錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)

1）錨桿。頂部采用2.40m長(zhǎng)的Φ22mm的KMG500單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，幫部采用1.8m長(zhǎng)的Φ20mm的KMG400單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1.0×1.0m，角度與巷道輪廓線切線或與層理面、節(jié)理面、裂隙面垂直，最小不應(yīng)小于75°。

2）錨固劑。當(dāng)采用2.40m長(zhǎng)的Φ22mm單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿時(shí)，每孔裝CKb2360（在孔底）及K2360各一卷；采用1.8m長(zhǎng)的Φ20mm單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿時(shí)，每孔裝CKb2850一卷；錨索每孔裝CKb2360一卷（孔底），K2360二卷。

3）錨桿梯。采用Φ8mm規(guī)格為長(zhǎng)×寬=2.5m×50mm的鋼筋焊制按排布置，注意保持錨桿梯搭接處距離錨桿托盤的距離大于100mm。

4）金屬網(wǎng)。采用規(guī)格為3.0×1.2m直徑不小于4.064mm（8號(hào)鐵絲）網(wǎng)孔規(guī)格為50×50mm的冷拔鐵絲制作的經(jīng)緯網(wǎng)，其中金屬網(wǎng)的大小可根據(jù)斷面大小及掘進(jìn)進(jìn)尺選擇。注意金屬網(wǎng)在使用時(shí)，相鄰網(wǎng)片之間鑲嵌搭接距離大于100mm，金屬網(wǎng)之間用間距200mm用12#鐵絲作聯(lián)網(wǎng)絲。巖巷正常情況下掛網(wǎng)必須拱頂至腰線上0.5m，圍巖破碎時(shí)掛網(wǎng)至腰線下0.5m。

5）錨索。配套標(biāo)準(zhǔn)鎖具采用Φ22mm長(zhǎng)度為5.0m的鋼絞線。Φ22mm錨桿錨固力不小于150kN，Φ20mm錨桿錨固力不小于100kN，錨索的錨固力不小于180kN。

6）托盤。采用分為兩種，一是錨桿托盤采用規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=150×150×10mm的Q335鋼板加工的托盤，二是錨索托盤采用規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=250×250×20mm的Q235A鋼板加工的托盤。

7）噴射混凝土。采用配合比為水泥：砂：石子=1：2：2的比例為配合材料，混凝土采用C20的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)，噴射厚度為50mm。噴射混凝土配合材料中，水泥采用標(biāo)號(hào)大于R42.5的普通硅酸鹽水泥，砂采用純凈的河砂，石子采用粒徑6-10mm的碎石，速凝劑采用煤海J-85型，注意速凝劑要在噴漿機(jī)進(jìn)料口均勻加入，并且摻量控制在水泥重量的3%-5%范圍內(nèi)，噴拱時(shí)取為水泥重量的5%，在噴射淋水區(qū)時(shí)要考慮速凝劑的摻入量增加。

8）預(yù)緊力。錨桿盤需要用螺母緊貼巖面牢固擰緊，在固定錨桿時(shí)，要注意將其外露絲距離螺母留有10-55mm的距離；錨索固定時(shí)的露出距離應(yīng)滿足150-250mm；Φ22mm和Φ20mm的錨桿預(yù)緊力分別不小于150 N.m和100 N.m。

圖1 巷道錨桿支護(hù)方案樣例

3 巷道圍巖穩(wěn)定性模擬研究

3.1 頂板巖層強(qiáng)度變化對(duì)圍巖變形的影響

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)

圖3 巷道圍巖z方向位移

由圖2、圖3可知，通過頂板塑性區(qū)域范圍的不斷擴(kuò)大可知頂板圍巖的穩(wěn)定性隨著巖層強(qiáng)度的逐漸減弱而不斷變差；頂板的強(qiáng)度較小時(shí)，頂板外表面的破壞形式主要是拉破壞，內(nèi)部主要還是以剪切破壞為主，塑性區(qū)最深處在頂板的中部。

3.2 兩幫巖層強(qiáng)度變化對(duì)圍巖變形影響

圖4 巷道圍巖塑性區(qū)

圖5 巷道圍巖x方向位移

由圖5可知，通過兩幫部的塑型區(qū)域范圍的不斷擴(kuò)大可知兩幫部圍巖的穩(wěn)定性隨著巖層強(qiáng)度的逐漸減弱而不斷變差；兩幫的強(qiáng)度較小時(shí)，幫部外表面的破壞形式主要是拉破壞，內(nèi)部主要還是以剪切破壞為主，塑性區(qū)最深處在幫部的中部。

4 巷道錨桿支護(hù)效果探究

4.1 巷道表面位移量監(jiān)測(cè)

通過監(jiān)測(cè)巷道表面位移量的變化對(duì)巷道穩(wěn)定性可提供直觀的說明，以巷道表面位移量為依據(jù)和參考。第1監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在本文所選巷道斷面處，以后每隔20m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，總共布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)指標(biāo)為巷道兩幫和頂?shù)装逡平?，監(jiān)測(cè)總時(shí)間為4個(gè)月，每次監(jiān)測(cè)間隔為15天，監(jiān)測(cè)結(jié)果如下圖。

圖6 巷道表面位移量

由圖6可知，對(duì)該支護(hù)方案進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過分析匯總4個(gè)月內(nèi)巷道圍巖表面的變化量，圍巖兩幫和頂?shù)装逯g的距離均發(fā)生不同程度的移近，其中頂?shù)装逡平?7mm，兩幫部移近22mm，說明該巷道的穩(wěn)定性基本保持不變。巷道圍巖形變與破壞控制在實(shí)際生產(chǎn)允許的范圍之內(nèi)。

4.2 錨桿受力荷載變化

圖7 錨桿受力荷載變化量

由圖7可知，對(duì)錨桿受力載荷變化進(jìn)行分析，錨桿受力載荷變化較為均勻。支護(hù)完畢的初期錨桿受力荷載基本沒有發(fā)生變化，在之后的時(shí)間內(nèi)由于集中應(yīng)力的不斷影響，錨桿承受的荷載開始增加。綜合錨桿受力荷載變化分析可知，其變化規(guī)律符合錨桿的承載能力。

5 總結(jié)

通過對(duì)巷道圍巖變形受力情況進(jìn)行模擬分析，對(duì)巷道錨桿支護(hù)方案進(jìn)行實(shí)踐研究，并對(duì)巷道表面位移量和錨桿受力荷載進(jìn)行監(jiān)測(cè)，綜合表明，錨桿布局設(shè)置與圍巖受力分布相吻合，該煤礦現(xiàn)有錨桿支護(hù)方案效果良好。