巷道錨桿（索）分次支護技術研究與應用

任小偉

（陜煤銅川礦務局有限公司冶坪分公司，陜西 銅川727000）

0 引 言

我國經濟仍處于高速發(fā)展期，能源消耗量巨大，煤炭作為我國的支柱型能源，其高效、安全開采直接影響我國的經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定[1]。目前，井下采煤工藝機械化水平不斷提升，有效保證了開采效率和開采安全性，但仍存在采掘比失調的問題[2]。煤礦巷道的掘進速度難以跟上回采工作面開采速度，制約了采煤效率的進一步提升。巷道支護工序占掘進工作中總時間的60%～70%，傳統(tǒng)支護工藝掘進和支護需要交替作業(yè)，嚴重影響了掘進速度[3-4]。因此，研究巷道錨桿（索）分次支護技術實現快速成巷，具有重要的工程價值。

1 圍巖變形破壞類型及機理

1.1 圍巖變形破壞類型

巷道開挖后圍巖應力重新分布，導致圍巖出現松動變形，甚至發(fā)生塌落破壞。根據以往學者的研究結果，本文將無支護條件下圍巖的破壞類型分為拉裂破壞和剪切破壞2 種類型，如圖1 所示。

圖1 巷道圍巖破壞形式(a)拉裂破壞；(b)剪切破壞

1）拉裂破壞。拉裂破壞是由圍巖中的拉應力超過巖體的抗拉強度而引起破壞形式，按拉裂位置不同，又可劃分為頂板拉裂、兩幫拉裂和底板拉裂。頂板拉裂破壞是最常見的拉裂破壞形式，圍巖在自身重力作用下拉伸頂板，出現頂板冒落，因此，應特別注意防范頂板拉裂的發(fā)生。當巷道圍巖承受較高的地應力時，容易產生兩幫拉裂破壞，且兩幫拉裂主要發(fā)生在水平巖層中。在實際工程中人們常常容易忽略巷道底板的破壞，需要注意的是當巷道下伏承壓水層或地應力較大時，巷道底板常出現底鼓，導致底板隆起并拉裂破壞。

2）剪切破壞。同樣的，剪切破壞也可分為頂板剪切破壞，兩幫剪切破壞和底板剪切破壞。當巷道圍巖頂板含有傾斜巖層，且?guī)r層之間的摩擦力不足以抵抗切應力時，巷道頂板便發(fā)生剪切滑移破壞。另一方面，頂板在高地壓作用下可發(fā)生塑性剪切破壞。兩幫剪切破壞具體表現為巷道產生片幫或向內部空間隆起，主要是由較高的側壓力和頂板壓力共同作用導致的。兩幫剪切破壞使巷道空間變小，通風不暢、運輸受阻。當巷道底板為軟弱的節(jié)理圍巖時，在重分布應力的作用下會發(fā)生塑性剪切破壞。

1.2 巷道圍巖失穩(wěn)力學機理分析

巷道開挖后形成重分布二次應力，若重分布應力小于巖體的力學強度，圍巖處于彈性階段，不會發(fā)生破壞。若重分布應力大于巖體的力學強度，圍巖進入塑性變形狀態(tài)，此時，圍巖便會產生一系列的變形、松動和破壞等現象。若不及時加以支護阻力，圍巖甚至發(fā)生坍塌。根據地層壓力效應，將圍巖失穩(wěn)的作用機理分為以下幾種：

1）變形壓力機理。在無支護結構作用時，巷道塑性變形會逐漸發(fā)展擴大，變形壓力是為限制圍巖塑性變形發(fā)展而形成的作用力。一般來說，巷道塑性變形在發(fā)展到一定范圍時，便不再發(fā)展，圍巖處于自穩(wěn)狀態(tài)。為充分利用圍巖的自承能力，學者們提出了巷道與圍巖支護共同作用特性曲線，如圖2 所示。根據該曲線可確定最佳支護時機，該支護理論允許圍巖產生一定量的變形，同時使支護結構受力得到優(yōu)化，具有較好的支護效果。

圖2 巷道與圍巖支護共同作用特性曲線

2）松動壓力機理。當圍巖地質條件較為復雜時，一部分巖體在開挖或巷道運營過程中，發(fā)生剝落松動，其重力在支護結構上引起的壓力即為松動壓力。松動壓力多發(fā)生在巷道頂板和兩幫，具有突發(fā)性和連續(xù)性，對巷道的施工安全危害較大。

3）膨脹壓力機理。當圍巖中含有伊利石、蒙脫石、高嶺石等膨脹類巖石時，若遭遇地下水，這些膨脹類礦物發(fā)生體積膨脹，引起圍巖的變形和破壞，形成膨脹壓力。膨脹壓力也是影響巷道穩(wěn)定性的主要因素。

2 巷道錨桿（索）分次支護理論

2.1 分次支護技術基本原理

煤礦井下巷道掘進是一個包含多道工序的系統(tǒng)工程，但究其本質而言主要涉及掘進和支護兩大工序。兩者互相影響，共同決定著煤礦生產效率。當前，隨著掘進和支護作業(yè)機械化程度的不斷提高，掘進和支護效率也得到極大提升。但掘進作業(yè)與錨桿（索）支護作業(yè)仍處于交替施工狀態(tài)，為提升巷道掘進速度，工程技術人員用以下2 種方法來縮減錨桿（索）支護作業(yè)耗時：

1）提高鉆孔效率。采用優(yōu)化機械設備、優(yōu)化鉆孔布置等方法，提高鉆孔效率，縮短打孔和錨桿的安裝時間。該方法對施工隊伍的設備機械化水平和人員技術水平要求較高，且在一些地質條件較為復雜的工程中并不適用。

2）優(yōu)化掘進工藝。同時展開多個作業(yè)面，采用雙巷掘進或多巷掘進，提高巷道掘進速度，該方法也對地質條件要求較高，且不能實現掘進和支護的平行作業(yè)，只能在我國部分礦區(qū)采用，難以全面推廣。

為解決采掘和支護不能平行作業(yè)的問題，本文提出分次支護技術，分次支護巷道與圍巖支護共同作用特性曲線如圖3 所示。分次支護的基本思想是，將傳統(tǒng)的一次成巷支護（ad 段）分為多個支護階段（ab 段和bc 段）。當巷道開挖后，在開挖斷面附近圍巖應力釋放尚不充分，此時，可用少量錨桿（索）進行先期支護，在一定程度上限制巷道變形的發(fā)展，保證圍巖的穩(wěn)定性。隨著開挖面的推進，圍巖應力和變形進一步釋放，再對巷道進行二次支護，控制圍巖變形的發(fā)展，二次支護并不影響前方的掘進工作。

圖3 分次支護巷道與圍巖支護共同作用特性曲線

2.2 分次支護技術設計流程

一次成巷支護技術未考慮圍巖的充分變形和自承特性，且不能實現平行作業(yè)，嚴重制約采掘效率。分次支護技術則從根本上解決了以上問題，分次支護利用了“新奧法”的基本思想，充分利用了圍巖的自身承載能力，節(jié)約了支護成本。同時，優(yōu)化了支護作業(yè)時間，有利于巷道的快速掘進。

分次支護設計的基本流程如圖4 所示，按照生產階段的不同，將分次支護分為巷道掘進階段和采動影響階段。

圖4 巷道分次支護設計流程

1）巷道掘進階段。巷道掘進階段分次支護設計第一次支護需緊跟工作面，保證掘進作業(yè)的安全性，并采用柔性支護，使圍巖產生一定的變形。第1 次支護可采用格柵網片，配合一定數量的錨桿進行支護，臨時對圍巖進行控制，保證作業(yè)空間的安全。第2 次支護滯后于第一次支護一定時間，二次支護需完成剩余錨桿（索）支護，同時，監(jiān)測圍巖變形量，確保支護效果。

2）采動影響階段。在回采工作面開采過程中，仍需實時監(jiān)測巷道圍巖變形量，若發(fā)現變形過大，則需及時進行第三次補強支護，以保證回采過程中巷道圍巖的穩(wěn)定性?？梢姡? 次補強支護并不是必須的，需根據回采過程中圍巖的變形情況而定。

3 分次支護工程效果評價

陜西美鑫礦業(yè)有限公司冶坪煤礦1308 運輸順槽采用EBZ-200 型綜掘機掘進，配合DJS80 皮帶出渣。為提高該掘進工作面的掘進效率及評價分次支護的支護效果，在井下巷道中布置2 個試驗段，試驗段1 采用一次成巷支護技術，試驗段2 采用分次支護技術。

由于篇幅所限，試驗段1 的支護參數不再贅述，試驗段2 的支護參數如下：第1 次支護在距掘進端頭（0，10 m）范圍內，頂板支護11 排，每排6 根錨桿，頂部錨桿采用φ22 mm，長度2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，頂部網片采用鋼筋網規(guī)格為：φ6.5 mm×100 mm×100 mm。第2 次支護主要為幫部支護，錨桿間排距均為900 mm×900 mm，非開采幫錨桿采用φ22 mm，長度2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，開采幫錨桿采用φ20 mm，長度2 000 mm 的玻璃鋼錨桿，設計錨固長度為600 mm，第2 次幫部錨桿支護滯后掘進工作面25 m。第3 次支護為錨索支護，滯后掘進工作面約為40～50 m，錨索采用φ21.8mm，長度6 300 mm 的鋼絞線，配合300 mm×300 mm×16 mm 碟形托板，外露150～250 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm。

同時，在2 個試驗段巷道頂板上布置離層位移計監(jiān)測頂板位移，監(jiān)測結果如圖5 所示。由圖5 可知，2 個試驗段的頂板位移，均呈現出先快速增長，后趨于穩(wěn)定的趨勢，且趨于穩(wěn)定的距工作面距離基本一致，但試驗段2 的位移量要大于試驗段1 約4 mm 左右。這是由于分次支護允許圍巖發(fā)生一定的變形，有利于減小支護結構的作用力。雖然試驗段2的頂板位移量稍大，但也在合理范圍內。

圖5 巷道頂板位移量

綜上可知，采用分次支護技術的巷道頂板位移量雖稍大，但該技術能減小支護結構作用力，節(jié)約支護成本。經對比：原一次成巷技術掘進進尺進度為每月320 m，而采用分次支護技術掘進進尺可提高到每月450 m，采用分次支護技術可實現掘、支平行作業(yè)，大大提高了掘進效率，保證了礦井采掘正常接續(xù)。

4 結 論

1）分析了圍巖變形破壞類型及機理，將無支護條件下圍巖的破壞類型分為拉裂破壞和剪切破壞2 種，根據地層壓力效應，將圍巖失穩(wěn)的作用機理分為變形壓力機理、松動壓力機理和膨脹壓力機理。

2）闡明了巷道錨桿（索）分次支護技術的基本原理，并對分次支護設計的基本流程進行了詳細論述。同時，為評價分次支護的支護效果，在陜西美鑫礦業(yè)有限公司冶坪煤礦1308 運輸順槽掘進工作面布置2 個對比試驗段，結果表明，采用分次支護技術的巷道頂板位移量要大4 mm 左右，但也在合理范圍內。分次支護技術可節(jié)約支護成本，提高掘進效率，為保障礦井“三量”平衡和正常采掘接續(xù)創(chuàng)造條件。