馬洪軍，孫德寧，劉 海

(1．東辰煤炭有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300;2．內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

唐公塔煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾煤田北部，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力600萬t/a，現(xiàn)已經(jīng)在6#煤層中布置400萬t/a的綜放工作面，為在6上－2煤層中再布置一個(gè)年產(chǎn)200萬t/a的綜采工作面，掘進(jìn)6上－2輔運(yùn)大巷，設(shè)計(jì)總長度為 1 832．08 m，巷道方位角 24°，與6上－2回風(fēng)大巷夾角92°。作為 6上－2煤層綜采工作面回采準(zhǔn)備道，用于運(yùn)輸、行人、通風(fēng)，設(shè)計(jì)年限10年。工作面上方地表高低起伏，整體呈北高南低、東高西低狀態(tài);西側(cè)有一條溝壑，走向與工作面走向大體一致，標(biāo)高1 127～1 230 m，屬于典型的黃土高原地貌。鄰區(qū)：6上－2層輔運(yùn)大巷在6上－2回風(fēng)大巷掘進(jìn)前進(jìn)方向右側(cè)，6上－2輔運(yùn)大巷前進(jìn)方向左側(cè)為井田邊界，與官板烏素煤礦相鄰，掘進(jìn)施工過程中要重視探放水工作。右側(cè)為6上－2皮帶大巷，對施工無影響。6上－2輔運(yùn)大巷，巷道斷面大，沿煤層底板掘進(jìn)，為全煤巷道，巷道易變形。加之作為行人巷，安全系數(shù)要求更高，對巷道支護(hù)提出了新的要求。根據(jù)該礦地質(zhì)特點(diǎn)，提出錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，解決了大斷面全煤巷的支護(hù)問題，保證了礦井的安全生產(chǎn)。

1 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)的作用原理

1．1 懸吊理論

懸吊理論認(rèn)為：向巷道頂板中打錨桿，能夠使巷道頂板中的不穩(wěn)定巖層懸吊在上部穩(wěn)定堅(jiān)固巖層中，不穩(wěn)定巖層不至于冒落，見圖1(a)。在軟弱巖層中，向巷道頂板中打錨桿，能使頂板中的破碎巖石懸吊在軟弱巖層上部形成的自然平衡拱上，保證了下部軟弱巖層的穩(wěn)定性，見圖1(b)。

圖1 錨桿懸吊作用原理示意圖

1．2 組合梁理論

組合梁理論認(rèn)為：1)向巷道頂板中打錨桿，通過施加預(yù)緊力，錨桿錨固各巖層，增加了巖層間的接觸壓力，防止巖層出現(xiàn)離層，錯(cuò)位。2)打入巖層中的錨桿增加了巖層的抗剪強(qiáng)度，防止巖層水平移動(dòng)，使錨桿作用范圍內(nèi)的幾個(gè)巖層錨固成一層較厚的組合梁。在上覆巖層荷載作用下，組合梁最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力大大減小，撓度也大大減小，而且組合梁越厚，組合梁內(nèi)的最大應(yīng)力、應(yīng)變和撓度也越小，見圖2。

圖2 疊合梁與組合梁的內(nèi)力比較

1．3 組合拱理論

組合拱理論認(rèn)為：向頂板巖體中打預(yù)應(yīng)力錨桿，由于巖體具有彈性，在巖體內(nèi)能形成錐形體壓縮區(qū)，見圖3(a)。因此，如將錨桿沿巷道周邊按一定間距縱向排列，當(dāng)圍巖受壓發(fā)生變形時(shí)，打入巖體內(nèi)的錨桿對其作用范圍內(nèi)的巖體作用壓應(yīng)力，在每根錨桿作用范圍內(nèi)形成的錐形體壓縮區(qū)彼此重疊連接，形成均勻的連續(xù)壓縮帶，見圖3(b)。這個(gè)能保持自身穩(wěn)定，承受地壓，阻止巖體移動(dòng)和變形的壓縮帶，簡稱擠壓加固拱。

圖3 錨桿的擠壓加固拱

錨桿一方面在錐形體壓縮區(qū)內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，通過增加節(jié)理裂隙面或巖塊間的摩擦力，增大了巖體的黏結(jié)力，防止巖塊運(yùn)動(dòng)和位移，增大了破碎巖體的強(qiáng)度;另一方面，周圍圍巖應(yīng)力狀態(tài)因錨桿產(chǎn)生的壓應(yīng)力而得到改善，進(jìn)而使巖體強(qiáng)度增大，即擠壓加固拱力學(xué)特性。但擠壓加固拱理論只是將支護(hù)力簡單相加，沒有考慮支護(hù)與圍巖的作用關(guān)系，按擠壓加固拱理論計(jì)算，數(shù)據(jù)往往與實(shí)際情況相差很大，一般不能做為準(zhǔn)確的定量設(shè)計(jì)。但可作為錨桿設(shè)計(jì)和施工當(dāng)中的重要參考。

1．4 錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)原理

1)錨桿—錨索聯(lián)合支護(hù)的加固原理。當(dāng)錨桿和錨索同時(shí)安裝在圍巖中，對圍巖有共同的加固作用。錨索具有工程延伸量小的優(yōu)點(diǎn)，圍巖在其變形范圍內(nèi)產(chǎn)生的松動(dòng)破壞區(qū)也就小。所以，錨桿和錨索均以加固對圍巖起加固作用為主，共同增大錨固支護(hù)體的承載能力，進(jìn)而使圍巖保持穩(wěn)定。

2)錨桿—錨索聯(lián)合支護(hù)的互補(bǔ)原理。開挖巷道早期，圍巖破壞小，加上錨桿的加固作用，錨固支護(hù)體承載能力較高，圍巖在一定變形范圍內(nèi)可以保持自身的穩(wěn)定。隨著時(shí)間推移，圍巖變形量逐漸增大，錨固支護(hù)體的承載能力和自穩(wěn)性下降，同時(shí)圍巖內(nèi)部集中應(yīng)力移往深部，圍巖變形趨于穩(wěn)定。在錨固支護(hù)體失穩(wěn)前，通過錨索的懸吊作用，保持它和圍巖的穩(wěn)定。

2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

6上－2輔運(yùn)大巷斷面為矩形，寬度5．4 m，高度3．7 m，面積19．98 m2，巷道類別為準(zhǔn)備巷道。其支護(hù)形式為：錨桿+網(wǎng)+鋼帶+錨索+噴砼。其地質(zhì)情況見圖4。

圖4 6上－2輔運(yùn)大巷煤層綜合柱狀圖

2．1 預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

1)按懸吊理論計(jì)算。

a)錨桿長度：

式中：

L—錨桿長度，m;

L1—錨桿外露長度，m，取0．10;

L2—錨桿有效長度，不小于不穩(wěn)定巖層厚度，m;

L3—錨桿錨固長度，m，端部錨固取0．4。

b)錨桿錨固力與直徑。

經(jīng)拉拔實(shí)驗(yàn)測定，綜合比較，取80。式中：

Q—錨桿錨固力;

K—安全系數(shù)，取2．0;

a1、a2—錨桿間、排距，m 取 1．1、1．2;

γ—不穩(wěn)定巖層平均重力密度，kN/m3，取25。取18 mm。

式中：

d—錨桿直徑，mm;

σt—桿體材料的抗拉強(qiáng)度，MP，取400。

c)錨桿間、排距。

式中：

K—錨桿安全系數(shù)，取2．0。

錨桿間、排距取1．1 m、1．2 m。

2)按擠壓加固拱理論計(jì)算錨桿參數(shù)。

擠壓加固拱理論不要求錨桿一定伸入堅(jiān)固巖層中。但錨桿長度和間距必須滿足一定關(guān)系，才能形成有效厚度的擠壓加固拱，以支承地壓。按照擠壓加固拱理論，有下式：

式中：

b—加固拱厚度，m;

L—錨桿的有效長度，m;

α—錨桿在松散體中的控制角;

a—錨桿的間距，m。

按錨桿的控制角45°計(jì)算有：

b=L－a=2 －1．1=0．9 m，加固拱厚度為 0．9 m。相當(dāng)于3層混凝土碹的厚度。

6上－2輔運(yùn)大巷頂錨桿采用d18×2 000等強(qiáng)螺紋鋼，錨固力/根≥80 kN，預(yù)緊扭矩≥200 N·m，間距1 100 mm，排距1 200 mm，符合計(jì)算要求。

3)錨固參數(shù)。錨固劑直徑應(yīng)與鉆孔直徑和錨桿直徑相匹配。按照使錨固劑能夠順利安裝在鉆孔中，同時(shí)錨桿體又能充分?jǐn)嚢桢^固劑的原則，一般來講，錨固劑直徑要比鉆孔直徑小3～5 mm。錨固長度主要分為端部錨固、加長錨固和全長錨固。端部錨固：錨桿錨固長度L≤500 mm或L≤鉆孔長度的1/3;全長錨固：錨桿錨固長度≥鉆孔長度的90%;加長錨固：端部錨固長度≤錨桿錨固長度≤全長錨固長度。

6上－2輔運(yùn)大巷頂板鉆孔直徑d27 mm，按照上述原則，采用端部錨固，采用CK2350樹脂錨固劑，它是直徑為23 mm，長度為50 cm的超快樹脂錨固劑。

4)錨桿施工工藝。錨桿眼打完后，清凈眼孔內(nèi)的巖粉積水，裝入2支樹脂錨固劑，用錨桿將藥卷送到眼底，在錨桿外端套上錨桿連接器，用錨桿機(jī)或風(fēng)煤鉆推進(jìn)錨桿，并攪拌樹脂錨固劑，攪拌時(shí)間不少于20～30 s，20 min后將錨桿的螺帽擰緊。打錨桿應(yīng)由外向里，先頂后幫，頂部錨桿由正中開始，分別向兩邊進(jìn)行，并做到打一注一，頂板錨桿用MQT－70C型錨桿鉆機(jī)鉆眼并安裝，幫部錨桿用風(fēng)煤鉆安裝。

2．2 小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)

預(yù)應(yīng)力錨索主動(dòng)支護(hù)是煤巷支護(hù)技術(shù)中的一項(xiàng)重大改革。由于它能夠打入到巖體深部，可將下部較厚的不穩(wěn)定巖層錨固在上部穩(wěn)定的巖層中;而且通過施加預(yù)應(yīng)力，變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)，是煤巷支護(hù)中配合錨桿支護(hù)的必備措施。

1)錨索參數(shù)計(jì)算。錨索的作用主要表現(xiàn)在它是將頂板下部不穩(wěn)定巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層中，因此按懸吊理論計(jì)算，按最危險(xiǎn)的極限狀態(tài)計(jì)算，即錨索懸吊頂板下部巖層的重量，同時(shí)依據(jù)巖層的強(qiáng)度、裂隙、錨桿支護(hù)參數(shù)等考慮巖層自身承載能力，綜合計(jì)算得：錨索長度取 6．2 m，直徑 17．8 mm，錨固力160 kN。

2)錨索索體選用。小孔徑樹脂錨固力錨索，索體為鋼絞線。鋼絞線由一組鋼絲以螺旋狀沿同一縱軸繞轉(zhuǎn)組成，目前7股d5 mm鋼絞線應(yīng)用最為廣泛。常用鋼絞線性能指標(biāo)見表1。

表1 常用鋼絞線力學(xué)參數(shù)

6上－2輔運(yùn)大巷采用 d17．8 ×6 200 鋼絞線，排距3 600 mm，錨 固 力/根 ≥ 160 kN，預(yù) 緊 扭 距 ≥100 N·m。

3 支護(hù)工序

頂錨桿施工：安全準(zhǔn)備→確定中心錨桿孔位→打定位錨桿到預(yù)定深度→退出釬桿→架設(shè)鋼帶→裝填錨固劑→裝錨桿→安聯(lián)接手→攪拌藥卷30 s→凝固不少于40 s→卸掉聯(lián)接手→擰緊螺母→按鋼帶孔位依次施工剩余錨桿。

幫錨桿施工：安全準(zhǔn)備→兩幫刷齊、找平→確定孔位→打錨桿眼到預(yù)定深度→退出釬桿→掃眼→裝入錨固劑→裝錨桿→安聯(lián)接手→攪拌藥卷30 s→凝固不少于40 s→卸掉聯(lián)接手→安托盤→擰緊螺母。

打錨索施工：安全準(zhǔn)備→確定孔位→用套釬鉆眼到指定深度→退出釬桿→裝填錨固劑→裝錨索→安聯(lián)接手→攪拌藥卷30 s→卸掉聯(lián)接手→凝固時(shí)間不少于10 min→用千斤頂緊固鎖具。

安裝錨桿、錨索前，應(yīng)檢查錨桿眼的質(zhì)量、深度、角度均要符合設(shè)計(jì)要求，如不符合要求時(shí)，必須重新施工。裝填錨固劑順序要正確，注錨索時(shí)先裝CK2350錨固劑后裝M2350錨固劑，禁止使用不合格的錨桿和錨固劑。攪拌錨固劑時(shí)，將錨桿均勻推到孔底，中間不得停頓，必須嚴(yán)格按攪拌時(shí)間攪拌。巷道斷面示意圖見圖5。

圖5 巷道斷面示意圖

4 支護(hù)情況

唐公塔煤礦6上－2輔運(yùn)大巷，自2010年6月掘進(jìn)以來，在近一年時(shí)間里，頂板最大下沉量100 mm，見圖6。盡管由于錨索錨桿的大量使用，原材料成本高，但相較于其它支護(hù)方式，巷道施工成本降低，巷道變形量小，維修少，維修費(fèi)用低。未發(fā)生冒頂、錨索拉斷事故，安全系數(shù)高。

圖6 豎向位移與時(shí)間變化曲線圖

5 結(jié)語

唐公塔煤礦6上－2輔運(yùn)大巷，屬全煤巷道。由于巷道頂部及兩幫均為煤體，煤的強(qiáng)度低，節(jié)理發(fā)育，煤體的穩(wěn)定性差，掘進(jìn)迎頭容易出現(xiàn)冒頂、片幫，加之巷道寬度達(dá)到5．4 m，高度3．7 m，屬大斷面，給支護(hù)工作帶來困難。通過采用以錨桿錨索為主的聯(lián)合支護(hù)方法，成功解決了主要大巷開掘在煤巷中的支護(hù)問題，保證了礦井的安全高產(chǎn)高效，同時(shí)也為國內(nèi)其它礦井的大斷面煤巷支護(hù)工作提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

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