軟巖巷道改善反底拱錨桿支護(hù)效果的途徑

孔凡軍，王維，王永寶，管彥太，劉漢慈，趙寶相，李杰

(內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯市 016299)

0 引言

隨著煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，全國(guó)煤炭賦存條件較好的礦井儲(chǔ)量越來(lái)越少，開(kāi)采條件也越來(lái)越復(fù)雜。而軟巖礦井煤炭資源由于開(kāi)采技術(shù)不夠成熟，存在大量資源等待開(kāi)發(fā)的問(wèn)題。軟巖地質(zhì)條件礦井錨桿支護(hù)體系應(yīng)采用全長(zhǎng)錨固技術(shù)，在傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有對(duì)底板錨桿技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算，現(xiàn)有的參數(shù)設(shè)計(jì)主要以計(jì)算圍巖松動(dòng)圈深度為主。

上海廟礦區(qū)巖層主要以泥巖及砂質(zhì)泥巖等軟巖地層為主，開(kāi)拓、采準(zhǔn)及回采巷道支護(hù)的對(duì)象都是抗壓強(qiáng)度低的軟巖，而軟巖地層巷道支護(hù)的重點(diǎn)是底板治理，反底拱錨桿的錨固力是底板治理的最關(guān)鍵因素，需要進(jìn)一步提高軟巖巷道錨桿（索）錨固質(zhì)量，從而達(dá)到保證巷道成型、減少巷道維護(hù)成本的要求。

1 軟巖巷道變形破壞特征及原因分析

巷道底板首先變形（底鼓）。通過(guò)十字布點(diǎn)觀測(cè)巷道變形量，通常情況下底板變形值大于頂幫收斂變形值。主要原因是在施工過(guò)程中頂幫錨桿支護(hù)較為及時(shí)，施工方便、孔內(nèi)巖粉容易清掃、頂幫巖層含水容易排出等，錨桿錨固力容易滿足要求。而多數(shù)礦井巷道底板不支護(hù)，且容易積水，造成底板巖石更加容易弱化。由于受施工條件、工序、設(shè)備的影響，底板支護(hù)嚴(yán)重拖后于頂幫支護(hù)。

底板變形表現(xiàn)為整體底鼓，底板錨桿與巖體整體鼓起，一般很難發(fā)現(xiàn)拔出的錨桿有整體斷裂的現(xiàn)象。其根本原因歸結(jié)于底板錨桿桿體抗拉強(qiáng)度沒(méi)有充分發(fā)揮，造成支護(hù)強(qiáng)度浪費(fèi)。近年來(lái)，軟巖礦井巷道支護(hù)錨桿多采用屈服強(qiáng)度為 400 MPa～600 MPa的高強(qiáng)桿體錨桿。由于軟巖地層施工的錨桿孔內(nèi)壁存在泥、水，造成錨固劑錨固力迅速下降。隨著時(shí)間的推移，水的弱化效應(yīng)逐漸加強(qiáng)，導(dǎo)致錨桿支護(hù)的失效。當(dāng)軟巖巷道底板采用錨桿支護(hù)時(shí)，底板巖石更容易被施工水、頂板淋水、巖層富水等因素弱化底板錨桿支護(hù)效果。底板施工錨桿孔更加困難，容易造成孔內(nèi)積水、孔內(nèi)巖粉清掃不干凈、巖粉泥化等，進(jìn)一步降低錨固劑與孔壁的粘結(jié)強(qiáng)度。為此軟巖巷道首先應(yīng)該解決錨桿錨固端錨固力不足的問(wèn)題。只有在錨固端錨固力大于錨桿破斷力的時(shí)候，才能充分發(fā)揮錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度。

施加預(yù)緊力端（錨桿盤）容易下陷，導(dǎo)致整個(gè)錨桿支護(hù)體系失效。錨桿預(yù)緊力通過(guò)錨桿帽施加在錨桿盤上，而錨桿盤直接與軟巖接觸。當(dāng)軟巖表面遇水、風(fēng)化、自身抗壓強(qiáng)度低、錨桿盤受較大預(yù)緊力、后期抵抗巷道變形產(chǎn)生更大作用力時(shí)，容易造成錨桿盤下陷。當(dāng)錨桿發(fā)生下陷時(shí)，其抵抗巷道變形能力逐步喪失，進(jìn)一步使得巷道圍巖松動(dòng)圈繼續(xù)向深部轉(zhuǎn)移，當(dāng)松動(dòng)圈波及錨固端時(shí)，則整個(gè)錨桿支護(hù)失效。

2 改善底板錨桿支護(hù)效果途徑

2.1 提高錨桿錨固端錨固力

在底板采用錨固劑及弱膨脹水泥漿配合全長(zhǎng)錨固方法，增強(qiáng)隔水及錨固效果。底板有水時(shí)，眼孔內(nèi)含水形成黏泥影響錨固劑與孔壁的錨固。采用傳統(tǒng)做法只能滿足預(yù)緊力要求，當(dāng)巷道來(lái)壓時(shí)不能保證錨固端滿足錨桿屈服及破斷力的要求，造成錨桿與錨固劑整體拔出，使得整體支護(hù)失效。

采用全長(zhǎng)錨固后能起到封閉巖石隔水、增加錨固長(zhǎng)度、提高錨固力作用。具體做法是底板先找出反底拱弧形底，施工完錨桿眼，在錨桿孔內(nèi)放入錨固劑，然后注水泥漿，最后施工錨桿。

改變工藝施工順序，使錨固端形成足夠的錨固力后再施加預(yù)緊力。采用傳統(tǒng)做法先施工錨桿眼，然后掛網(wǎng)支護(hù)，支護(hù)完成后再噴漿。由于錨固劑攪拌后凝固時(shí)間短，再加上沒(méi)有進(jìn)行注漿或是注漿后水泥漿沒(méi)有足夠的時(shí)間初凝，容易造成錨固端錨固力沒(méi)有達(dá)到最佳狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化施工順序，先施工錨固劑配合水泥灌漿錨桿全長(zhǎng)錨固錨桿，且不進(jìn)行掛網(wǎng)支護(hù)，而進(jìn)行初噴漿作業(yè)，使得錨固劑和水泥漿有足夠的初凝時(shí)間，2道工序的時(shí)間間隔大約5 h，有足夠的初凝時(shí)間，使得錨固力達(dá)到最大值，然后掛網(wǎng)、增加錨桿盤支護(hù)，掛網(wǎng)支護(hù)后進(jìn)行二次反底拱噴漿封閉。

2.2 增加預(yù)緊力端抗剪切強(qiáng)度及受力面積

當(dāng)錨固端錨固力足夠大時(shí)，施加預(yù)緊力的錨桿盤端巖石沒(méi)有足夠的抗壓抗剪強(qiáng)度時(shí)，容易造成錨桿盤下陷，隨著時(shí)間推移，錨桿預(yù)緊力失效以至于不能滿足設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致反底拱支護(hù)失效。通過(guò)初噴后上錨桿盤，錨桿盤壓在網(wǎng)片及噴漿層上，使得錨桿盤有穩(wěn)定的著力點(diǎn)，錨桿容易達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)緊力。

反底拱初噴100 mm，初噴后掛網(wǎng)并上錨桿盤，錨桿盤施加在網(wǎng)片及噴漿層上面，解決了錨桿盤作用力在底板軟巖上，造成下陷、錨桿預(yù)緊力不夠。

掛網(wǎng)支護(hù)后進(jìn)行二次噴漿，2次噴漿與錨桿盤、帽、網(wǎng)片形成整體，有效增加了施壓端的受力面積和抗剪切強(qiáng)度。錨桿錨固端與施壓端同時(shí)作用形成擠壓拱，反底拱錨桿與幫部錨桿同時(shí)作用保證了巷道的完整。

2.3 增加底板弧度、降低巷道寬度（跨度）

在不增加錨桿長(zhǎng)度的情況下，通過(guò)增加護(hù)表面積、大托盤、W型護(hù)板、高強(qiáng)金屬網(wǎng)等方式，增加了壓縮拱的厚度，使得頂?shù)装宄休d能力更強(qiáng)。

通過(guò)減少巷道寬度，使得擠壓拱厚度不變的情況下，承載能力進(jìn)一步加強(qiáng)。類似于相同管壁厚度的鋼管，其直徑越小，則其抗徑向壓力越強(qiáng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：其他參數(shù)不變的情況下，當(dāng)巷道跨度增加，巷道變形量成指數(shù)特征變化。因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)盡量降低巷道寬度，以減少巷道變形。

軟巖巷道底板弧度增加不僅對(duì)減少巷道底鼓有效果，也適用于巷道頂板。當(dāng)頂板增加頂板弧度時(shí)，也有利于減少頂板的下沉量。

2.4 其他方面

反底拱需要及時(shí)支護(hù)，滯后掘進(jìn)迎頭不超過(guò)50 m，減少巷道圍巖塑性破壞變形，甚至在彈性變形區(qū)域內(nèi)對(duì)底板進(jìn)行有效支護(hù)，使巷道形成完整的擠壓拱，對(duì)抗巷道壓力變形。

做好水的控制，底板巖石遇水變軟，容易崩解、強(qiáng)度大大降低。底板支護(hù)應(yīng)考慮盡量減少底板暴露和泡水的時(shí)間，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，底板弱化愈加嚴(yán)重，一旦底板長(zhǎng)時(shí)間未得到有效支護(hù)就會(huì)造成底鼓，反復(fù)起底后就容易造成巷道的整體失穩(wěn)，一旦失穩(wěn)后再進(jìn)行維修就很難保證成型。在巷道內(nèi)低洼點(diǎn)每隔一段距離挖深度超過(guò)2 m的沉淀池，將巷道內(nèi)由于施工及頂板淋水引入水窩，減少底板巖石含水量，提高抗壓及抗應(yīng)變能力。

施工完錨桿眼，馬上進(jìn)行注錨桿，減少底板滲水造成孔內(nèi)巖石被水浸泡而軟化的時(shí)間。

3 實(shí)施效果分析

礦井地質(zhì)條件中等，某工作面順槽沿煤層、留部分頂煤掘進(jìn)。巷道寬4.0 m，高3.2 m，馬蹄形斷面。輔運(yùn)順槽頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

按照上述技術(shù)方案，在某礦某工作面輔運(yùn)順槽進(jìn)行試驗(yàn)。巷道反底拱錨桿支護(hù)效果明顯提高，確保了巷道穩(wěn)定性。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)輔運(yùn)順槽成巷（底板支護(hù)形成）后位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用十字測(cè)點(diǎn)法對(duì)巷道的掘進(jìn)期間以及回采期間超前200 m以外的地段進(jìn)行觀測(cè)。巷道位移監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖1。

由圖1的觀測(cè)曲線可知，輔運(yùn)順槽巷道成型后18個(gè)月內(nèi)頂?shù)装蹇傄平啃∮?50 mm，兩幫總移近量小于120 mm。巷道成巷之后3～5個(gè)月變形量接近最大值，5個(gè)月以后巷道變形量趨于穩(wěn)定。

表1 運(yùn)輸順槽頂?shù)装鍘r性

圖1 巷道位移量監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)論

采用錨固端提高錨固力，施加預(yù)緊力端提高抗剪、抗壓強(qiáng)度的方式使反底拱錨桿完全滿足設(shè)計(jì)錨固力、預(yù)緊力的要求。施工完成后，反底拱錨桿與幫部的支護(hù)錨桿配合形成圍繞巷道輪廓的完整擠壓拱。利用施工工序的變化，使得施加預(yù)緊力的錨桿盤端抗剪切、抗壓強(qiáng)度增加，從而保證了錨桿錨固力以及后期由于巷道變形產(chǎn)生的承載壓力，直至錨桿破斷力，錨桿的桿體強(qiáng)度得到最大利用。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，巷道成型后 18個(gè)月內(nèi)頂?shù)装蹇傄平啃∮?50 mm，兩幫總移近量小于120 mm，使巷道變形得到了有效控制。巷道維修量減少85%，成巷整體復(fù)修率為1%以下。工作面順槽支護(hù)每年減少巷道維修量600 m，減少維修人工費(fèi)及材料費(fèi)180萬(wàn)元，為回采工作面提供快速推采創(chuàng)造了有利條件。