劉 紅

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司)

螺旋式自攻錨桿在軟巖巷道支護(hù)中的應(yīng)用

劉 紅1,2

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司)

以某礦區(qū)軟巖巷道21502運(yùn)巷為依托，通過不同支護(hù)形式試驗(yàn)效果對(duì)比分析，表明所采用的螺旋自攻全程錨固錨桿對(duì)巷道支護(hù)形式是合理可行的,支護(hù)效果顯著，實(shí)現(xiàn)了軟巖巷道安全有效的支護(hù)。

巷道支護(hù) 自攻全程錨固錨桿 作用機(jī)理

某礦位于渭北煤田東北部，是20世紀(jì)70年代開發(fā)的老礦區(qū)。礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，為松軟煤層，賦存極不穩(wěn)定，各種災(zāi)害都比較嚴(yán)重，嚴(yán)重制約礦區(qū)的高效生產(chǎn)。近年來，為了解決巷道支護(hù)的問題，采用“錨、網(wǎng)、索”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，巷道整體支護(hù)效果較之前得到明顯提高，但幫部支護(hù)效果不甚理想，無法滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。破碎圍巖變形較大，若支護(hù)不合理，巷道圍巖產(chǎn)生局部變形并極易破壞失穩(wěn)[1-5]。巷道礦壓顯現(xiàn)劇烈，變形嚴(yán)重，嚴(yán)重影響運(yùn)輸、通風(fēng)和行人等。為此,進(jìn)行了不同支護(hù)形式的支護(hù)試驗(yàn)對(duì)比分析，確定出合理有效的巷道支護(hù)形式，為該礦松軟煤層巷道支護(hù)提供有效的技術(shù)手段。

1 軟巖巷道支護(hù)試驗(yàn)

該礦南一采區(qū)21502運(yùn)巷沿5#煤層頂板掘進(jìn)施工。5#煤層平均厚2.9 m，傾角3°～6°，直接頂為細(xì)砂巖，直接底為粉砂巖。21502運(yùn)巷上部為3#煤層采空區(qū)及正在回采的21303綜采工作面，因此，21502運(yùn)巷受上方工作面煤柱應(yīng)力集中以及綜采面回采的動(dòng)壓影響，巷道變形比較嚴(yán)重。

1.1 21502運(yùn)巷原支護(hù)形式

21502運(yùn)巷設(shè)計(jì)為矩形巷道，高3 000 mm，寬 5 000 mm，支護(hù)排距1 200 mm，全斷面鋪設(shè)菱形網(wǎng)，頂板采用全錨索支護(hù)，φ17.8 mm×6 000 mm和φ17.8 mm×3 800 mm,錨索間隔支護(hù)，幫部采用φ18 mm×2 000 mm可回收中空管錨桿和φ20 mm×2 200 mm冷壓頭等強(qiáng)錨桿支護(hù)，支護(hù)形式如圖1所示。

圖1 21502運(yùn)巷試驗(yàn)前支護(hù)形式(單位:mm)

通過監(jiān)測(cè)，幫部支護(hù)強(qiáng)度不夠，兩幫的移近量和底鼓較為嚴(yán)重，影響通風(fēng)和行人安全，必須加強(qiáng)幫錨桿的支護(hù)強(qiáng)度。

1.2 21502運(yùn)巷新支護(hù)形式

改進(jìn)后的支護(hù)形式如圖2所示。頂板支護(hù)形不變，幫部采用φ22 mm×3 500 mm螺旋式自攻錨固錨桿，如圖3所示，靠近下部錨桿向地板下扎40°，以防巷道底鼓。

圖2 21502運(yùn)巷試驗(yàn)的新支護(hù)形式(單位:mm)

1.3 螺旋式自攻錨桿的作用機(jī)理

螺旋式自攻錨固錨桿桿體與孔壁全長(zhǎng)接觸，產(chǎn)生徑向張力，且沿錨桿全長(zhǎng)分布，當(dāng)錨桿墊板緊貼巖面后，對(duì)巖石產(chǎn)生支承抗力，使錨桿周圍的巖石產(chǎn)生三維壓縮，形成一個(gè)獨(dú)特的梨形壓力球，如圖4。錨桿按一定的間距布置，梨形壓力球疊合連鎖，形成巖石壓縮帶，改善了圍巖應(yīng)力狀態(tài)，圍巖整體性增強(qiáng)，承載能力提高，從而使圍巖得以穩(wěn)定。

圖3 螺旋式自攻錨固錨桿示意

圖4 螺旋式自攻錨固錨桿作用機(jī)理示意

螺旋式自攻錨固錨桿，無論錨桿直徑還是錨桿長(zhǎng)度都大于原支護(hù)的中空管錨桿和冷壓頭等強(qiáng)錨桿。根據(jù)圍巖強(qiáng)化理論，錨桿加固作用引起的錨固體變形模量增加值為：

(1)

式中，Em為錨固體變形模量的增加值，MPa；Eb為錨桿彈性模量，MPa；a1、a2分別為錨桿的間、排距，m；d為錨桿直徑，m。

從式(1)可以看出，在錨桿材質(zhì)、錨桿安裝參數(shù)相同的情況下，錨桿直徑越大，錨固體變形模量的增加值就越大。螺旋式自攻錨固錨桿采用Q235圓鋼制作，桿體直徑為22 mm，錨桿間排距為0.8 m×1.2 m，根據(jù)式(1)計(jì)算，錨固體變形模量的增加值為79 MPa，對(duì)于強(qiáng)度較低的煤巖體，該錨桿在煤巖體破壞前對(duì)其強(qiáng)度有明顯地提高作用。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)21502運(yùn)巷試驗(yàn)前后支護(hù)效果進(jìn)行了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖5中所示。

由圖5可以看出，新支護(hù)形式支護(hù)巷道，兩幫移近量和頂?shù)装逡平勘仍ёo(hù)形式有明顯減少，頂?shù)装逡平坑稍ёo(hù)形式下的510 mm降低到28 mm，兩幫移近量由680 mm降低到30 mm。新的支護(hù)形式明顯改善了圍巖應(yīng)力狀態(tài)，護(hù)幫效果明顯，保證了圍巖穩(wěn)定性。由此可知，采用螺旋式自攻錨固錨桿可以大幅度的提高錨固力，加強(qiáng)對(duì)巷道的支護(hù)。

圖5 試驗(yàn)前后支護(hù)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

(1)螺旋式自攻全程錨固錨桿通過錨桿體與鉆孔壁的壓緊作用，沿桿體全長(zhǎng)產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力和軸向摩擦力，在圍巖中產(chǎn)生壓應(yīng)力場(chǎng)，桿體受力對(duì)圍巖變形和離層很敏感，能及時(shí)抑制圍巖離層與滑動(dòng)。

(2)φ18 mm×2 000 mm可回收中空管錨桿和φ20 mm×2 200 mm冷壓頭等強(qiáng)錨桿護(hù)幫，兩幫移近量和底鼓量增大，無法滿足采場(chǎng)支護(hù)的需求；采用φ22 mm×3 500 mm自攻全程錨固錨桿護(hù)幫效果明顯，頂?shù)装宓囊平?、兩幫的移近量大幅降低，確保了巷道足夠的安全空間。

(3)軟巖支護(hù)應(yīng)向高強(qiáng)度、高預(yù)緊力、大排距、低密度的支護(hù)模式轉(zhuǎn)變，螺旋式自攻全程錨固錨桿在軟巖支護(hù)方面有很大的應(yīng)用前景。

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2015-04-22)

劉 紅(1983—)，女，工程師，碩士，400037 重慶市上橋三村55號(hào)。