錨桿錨索聯(lián)合支護技術在大斷面回采巷道支護中的應用

馬 寶

（西山煤電集團有限責任公司馬蘭礦， 山西 古交 030200）

1 礦井概況

西山煤電集團公司馬蘭礦位于山西省古交市西南15 km，井田面積為104.4 km2，礦井設計生產(chǎn)能力4.0 Mt/a。主要開采2號、8號煤層，礦井煤層賦存穩(wěn)定，地質(zhì)構造簡單。12503綜采工作面位于南五采區(qū)，主要開采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組2號煤層。煤層厚度2.60～3.50 m，平均厚度3.02 m；傾斜寬度250 m，煤巖層平均傾角 5°～11°，平均 5°左右，屬穩(wěn)定可采近水平中厚煤層，煤層普氏系數(shù)f一般在2.0左右，為軟～中等硬度煤層。工作面無直接頂，老頂為中細砂巖，厚度 7.79～19.73 m，平均 15.82 m，f值為3～4；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度為0～14.37 m，平均4.22 m，f值為 2～3；老底為中細砂巖，厚度 0～28.44m，平均 10.58m，f值為 3～4[1]。

該采區(qū)回采巷道當前采用的錨網(wǎng)索支護方式由于不能發(fā)揮錨桿錨索的協(xié)同支護作用，加上受深部高地應力作用，巷道圍巖變形嚴重，影響礦井安全高效開采。

2 大斷面巷道圍巖協(xié)同支護技術

2.1 頂板錨桿錨索聯(lián)合支護

巷道支護采用“錨桿單排布置+錨索間隔打設”的聯(lián)合支護方式，錨桿在支設時一般呈“群集”式排布，協(xié)同加固破碎不穩(wěn)定巖體；而錨索在支護時則呈“個體”化布置，單根錨索承載能力強、延伸率大、高預應力，具有管控大片巖體的能力。為了實現(xiàn)錨桿錨索協(xié)同作用共同維護巖體穩(wěn)定，將錨桿錨索同排打設，并將兩種支護構件用W鋼帶或鋼筋梯連接，充分發(fā)揮錨桿加固巖體、錨索將錨固體張拉或懸吊至穩(wěn)定巖體的功用[2]。

1）錨桿的群集作用。錨桿支護是通過其桿體以及各種輔助構件所提供的作用力作用于圍巖體上，從而改善圍巖體的受力狀體，使其由兩向受力極可能恢復到三向受力，同時改善圍巖體的力學性能，繼而實現(xiàn)主動抑制和控制圍巖體的變形和破壞，實現(xiàn)主動支護和加固圍巖體的作用。

2）錨索的錨固作用。錨索施工后，其錨固段一般處于巷道圍巖相對深部的穩(wěn)定巖層中，通過對外段鎖具的張拉實現(xiàn)對圍巖體的強力加固和支護。目前采用的錨索長度一般是錨桿長度的3～4倍，其主要功能是將錨桿群集作用形成的錨固結構體懸掛于巷道圍巖深部較穩(wěn)定巖體中。當圍巖體出現(xiàn)大變形時，錨索極易發(fā)生承載過大失效，出現(xiàn)斷裂、拉穿等現(xiàn)象。

3）頂板錨桿錨索協(xié)同支護技術?！板^桿單排布置+錨索間隔打設”的支護方式，由于沒有發(fā)揮出錨桿和錨索協(xié)同支護效能，沒有能夠實現(xiàn)圍巖體淺部加固和深部錨固的耦合，其在大斷面煤巷支護中時常表現(xiàn)為大變形。如果合理地選擇位置將錨索替代錨桿，如下頁圖1所示，采用錨桿錨索的同排布置，可實現(xiàn)錨桿錨索對圍巖體深淺協(xié)同加固，使錨桿錨索對圍巖體的加固區(qū)實現(xiàn)疊加，充分發(fā)揮其錨桿錨索預應力的協(xié)同擴散，如下頁圖2所示。這樣既能提高巷道頂板的安全性，又減少錨桿使用，從而發(fā)揮出錨桿錨索對巷道頂板的淺錨深索的支護作用。

圖1 錨索錨桿協(xié)同支護示意圖（mm）

圖2 錨桿、錨索協(xié)同支護原理

2.2 大斷面巷道高幫破壞及強化支護

煤體的力學性能普遍低于巖石，大斷面巷道開挖后，受開挖和應力重新分布雙重作用，幫部煤體容易發(fā)生剪切或滑移破壞，特別是當煤幫較高時，相對于頂?shù)装?，幫部薄弱煤體更容易出現(xiàn)破壞失穩(wěn)，發(fā)生開挖后片幫或支護內(nèi)鼓大變形[3]。

大斷面巷道高幫的破壞主要由幫部薄弱體壓剪破壞與交界面滑移破壞共同作用導致，通過幫部增加錨桿長度、提高其預應力或補強錨索支護，可以進一步強化幫部圍巖體，較少裂隙界面的擴散和破壞，改善幫部煤體的受力狀體，提高高幫圍巖體的完整性。高幫強化支護示意圖如圖3所示[4]。

圖3 高幫強化支護示意圖（mm）

3 工作面支護參數(shù)優(yōu)化及效果分析

3.1 原支護方案

巷道頂板采用Φ22 mm×2 500 mm高強度螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm，錨桿數(shù)量為7根；幫部采用Φ20 mm×2 200 mm全螺紋錨桿，間排距為900 mm×800 mm。并搭配150 mm×150 mm×12 mm規(guī)格的拱形鋼板托盤。幫頂均采用10號鐵絲編制的菱形網(wǎng)和Φ10 mm鋼筋梯，頂部鋼筋梯為GT 10/5200，幫部為GT 10/4000。同時頂板布置規(guī)格為Φ21.6 mm×8 000 mm錨索，間排距為1 600 mm×2 400 mm，采取3-2-3布置，錨索托盤規(guī)格為250 mm×250 mm×20 mm鋼板托盤[5-7]。

3.2 優(yōu)化方案

基于大斷面巷道圍巖協(xié)同優(yōu)化控制技術，對原方案支護參數(shù)進行優(yōu)化。頂板錨桿型號不變，間排距調(diào)整為800 mm×900 mm；頂板錨索規(guī)格不變，調(diào)整為“2-2”布置，并替換頂板兩端第3根錨桿；幫部錨桿改Φ22 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×900 mm，同時增設幫錨索，錨索規(guī)格為Φ21.6 mm×5 000mm。幫錨索設置在幫部中間的錨桿位置，替換相應位置的幫錨桿，每3排替換1根，幫錨索排距2700mm，托盤規(guī)格為250 mm×250 mm×20 mm鋼板托盤，其他材料支護參數(shù)保持不變。具體支護參數(shù)如圖4所示[8]。

圖4 12503工作面巷道優(yōu)化后支護圖（mm）

3.3 方案數(shù)值模擬對比分析

使用FLAC3D模擬軟件，基于12503工作面實際地質(zhì)條件建立三維模型對原方案及新方案進行對比分析。各煤巖層力學參數(shù)如表1所示。

表1 煤巖層力學參數(shù)

對原方案和優(yōu)化方案分別進行模擬分析得到不同支護方案下的位移云圖如下頁圖5所示，左側為豎向位移，右側為水平位移云圖，同時得到的巷道周邊塑性區(qū)的分布如下頁圖6所示。

由圖5和圖6可知，優(yōu)化后大幅提升巷道控制效果。巷道兩幫相對收斂值由原來的719 mm減低到235 mm，減少了72%，巷道頂板下沉量由原來的86 mm增加到93 mm，增幅不明顯，同時幫部塑性區(qū)范圍大幅度減小。證明優(yōu)化后的方案，圍巖穩(wěn)定性得到很好控制。

圖5 原方案與新方案的位移（mm）云圖

圖6 塑性區(qū)分布

3.4 效果分析

為驗證現(xiàn)場應用效果，采用優(yōu)化方案后，對12503綜采工作面輔運順槽頂?shù)装寮皟蓭鸵平窟M行動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測結果顯示掘進期間輔運順槽兩幫累計相對位移量196 mm，頂板累計下沉量23 mm；12503工作面回采期間，巷道兩幫相對收斂累計量達到867 mm，最大變形速度達35 mm/d，頂?shù)装遄畲笙鲁亮窟_到280 mm，最大變形速度達21 mm/d，整個巷道在基本不臥底后完全滿足了工作面安全回采。

4 結論

1）針對馬蘭礦12503采區(qū)工作面開采條件，分析了大斷面回采煤巷頂板錨桿錨索協(xié)同支護機理，提出采用錨桿錨索的同排布置，實現(xiàn)了錨桿錨索對圍巖體深淺協(xié)同加固，充分發(fā)揮其錨桿錨索預應力的協(xié)同擴散，這樣既能提高巷道頂板的安全性，又降低錨桿使用量。

2）在對大斷面巷道高幫破壞特征進行分析后，提出了幫部增加錨桿長度、提高其預應力或補打錨索的強化支護方式。確定了適用于大斷面巷道協(xié)同支護技術方案。實踐取得良好支護效果，在保證支護參數(shù)合理、頂板及兩幫安全的前提下，減少了支護作業(yè)時間和生產(chǎn)成本，提高了掘進效率。