呂迎春，蘇麗君，劉 偉

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272102）

0 引言

錨桿支護在我國當(dāng)今煤礦巷道支護方案中經(jīng)常采用的重要方法，這種支護方式和我國傳統(tǒng)的支護相比，在很大程度上提升了支護效果，并且減少了巷道支護的投入資金，輕緩了巷道支護施工的勞動強度，為煤礦井下工作面的快速掘進做出了突破。

掌握煤礦巷道圍巖的受力情況，熟悉煤礦巷道圍巖的變形規(guī)律，運用圍巖和支護體的相互受力作用關(guān)系，是進行煤礦巷道支護設(shè)計的關(guān)鍵核心，國內(nèi)外學(xué)者對煤礦巷道錨桿支護進行了大量的研究，取得了豐富的成果，在實際煤礦巷道支護設(shè)計中產(chǎn)生了指導(dǎo)意義。其中，康紅普[1]-等深入剖析研究錨桿支護的受力作用機制，研究提出了高強預(yù)應(yīng)力支護理論，起決定性作用的是錨桿預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力的擴散作用。劉洪濤[2]-等研究創(chuàng)新出一種新型的可接長錨桿，這種錨桿解決了在大變形巷道支護過程中的技術(shù)難題。戴俊[3]-等通過運用錨桿和圍巖的相互作用原理，并結(jié)合監(jiān)測技術(shù)，對錨桿支護參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，為達到錨桿支護的更強效果提出見解。張向陽[4]-等通過分析巷道圍巖應(yīng)力、形變和破壞的特征對錨桿支護回采巷道圍巖力學(xué)特征受不同煤層傾角變化所產(chǎn)生的影響進行了研究說明。

本文以興隆莊煤礦4300軌道巷底為主要研究對象，對巷道圍巖穩(wěn)定性進行模擬分析，對其錨桿支護效果進行研究，按照支護方案進行實際監(jiān)測，并對巷道支護方案的實踐效果進行了分析。

1 工程背景

興隆莊煤礦系國家六五重點建設(shè)項目，是中國自行設(shè)計和建造的第一座設(shè)計年產(chǎn)300萬t的大型現(xiàn)代化礦井，井田面積54km2，地質(zhì)儲量7.8億t，可采儲量3.8億t?，F(xiàn)核定生產(chǎn)能力已躍升至年產(chǎn)660萬t。煤礦于1981年12月21日建成投產(chǎn)以來多次承擔(dān)國家技術(shù)改造實驗項目。

巷道長度300m，埋深350m。頂板為中砂巖：灰白色中砂巖，以石英、長石為主要成份，鈣質(zhì)膠結(jié)，堅硬，局部裂隙發(fā)育，夾有黑色條帶，并見有黃鐵礦，RQD值74%。普氏硬度f=6～13。

斷面形狀采用直墻三心拱，跨度為6.4m，高度為4.8m，斷面面積為27.648m2，錨網(wǎng)噴支護為主要支護方式，在巷道兩肩處增設(shè)補強錨索。支護材料為金屬網(wǎng)、左旋無縱筋螺紋鋼錨桿、樹脂錨固劑、鋼筋梯和混凝土噴射（水泥、石子、沙子）。

2 巷道錨桿支護方案設(shè)計

1）錨桿。頂部采用2.40m長的Φ22mm的KMG500單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，幫部采用1.8m長的Φ20mm的KMG400單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為1.0×1.0m，角度與巷道輪廓線切線或與層理面、節(jié)理面、裂隙面垂直，最小不應(yīng)小于75°。

2）錨固劑。當(dāng)采用2.40m長的Φ22mm單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿時，每孔裝CKb2360（在孔底）及K2360各一卷；采用1.8m長的Φ20mm單向左旋無縱筋螺紋鋼錨桿時，每孔裝CKb2850一卷；錨索每孔裝CKb2360一卷（孔底），K2360二卷。

3）錨桿梯。采用Φ8mm規(guī)格為長×寬=2.5m×50mm的鋼筋焊制按排布置，注意保持錨桿梯搭接處距離錨桿托盤的距離大于100mm。

4）金屬網(wǎng)。采用規(guī)格為3.0×1.2m直徑不小于4.064mm（8號鐵絲）網(wǎng)孔規(guī)格為50×50mm的冷拔鐵絲制作的經(jīng)緯網(wǎng)，其中金屬網(wǎng)的大小可根據(jù)斷面大小及掘進進尺選擇。注意金屬網(wǎng)在使用時，相鄰網(wǎng)片之間鑲嵌搭接距離大于100mm，金屬網(wǎng)之間用間距200mm用12#鐵絲作聯(lián)網(wǎng)絲。巖巷正常情況下掛網(wǎng)必須拱頂至腰線上0.5m，圍巖破碎時掛網(wǎng)至腰線下0.5m。

5）錨索。配套標(biāo)準(zhǔn)鎖具采用Φ22mm長度為5.0m的鋼絞線。Φ22mm錨桿錨固力不小于150kN，Φ20mm錨桿錨固力不小于100kN，錨索的錨固力不小于180kN。

6）托盤。采用分為兩種，一是錨桿托盤采用規(guī)格為長×寬×厚=150×150×10mm的Q335鋼板加工的托盤，二是錨索托盤采用規(guī)格為長×寬×厚=250×250×20mm的Q235A鋼板加工的托盤。

7）噴射混凝土。采用配合比為水泥：砂：石子=1：2：2的比例為配合材料，混凝土采用C20的設(shè)計標(biāo)號，噴射厚度為50mm。噴射混凝土配合材料中，水泥采用標(biāo)號大于R42.5的普通硅酸鹽水泥，砂采用純凈的河砂，石子采用粒徑6-10mm的碎石，速凝劑采用煤海J-85型，注意速凝劑要在噴漿機進料口均勻加入，并且摻量控制在水泥重量的3%-5%范圍內(nèi)，噴拱時取為水泥重量的5%，在噴射淋水區(qū)時要考慮速凝劑的摻入量增加。

8）預(yù)緊力。錨桿盤需要用螺母緊貼巖面牢固擰緊，在固定錨桿時，要注意將其外露絲距離螺母留有10-55mm的距離；錨索固定時的露出距離應(yīng)滿足150-250mm；Φ22mm和Φ20mm的錨桿預(yù)緊力分別不小于150 N.m和100 N.m。

圖1 巷道錨桿支護方案樣例

3 巷道圍巖穩(wěn)定性模擬研究

3.1 頂板巖層強度變化對圍巖變形的影響

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)

圖3 巷道圍巖z方向位移

由圖2、圖3可知，通過頂板塑性區(qū)域范圍的不斷擴大可知頂板圍巖的穩(wěn)定性隨著巖層強度的逐漸減弱而不斷變差；頂板的強度較小時，頂板外表面的破壞形式主要是拉破壞，內(nèi)部主要還是以剪切破壞為主，塑性區(qū)最深處在頂板的中部。

3.2 兩幫巖層強度變化對圍巖變形影響

圖4 巷道圍巖塑性區(qū)

圖5 巷道圍巖x方向位移

由圖5可知，通過兩幫部的塑型區(qū)域范圍的不斷擴大可知兩幫部圍巖的穩(wěn)定性隨著巖層強度的逐漸減弱而不斷變差；兩幫的強度較小時，幫部外表面的破壞形式主要是拉破壞，內(nèi)部主要還是以剪切破壞為主，塑性區(qū)最深處在幫部的中部。

4 巷道錨桿支護效果探究

4.1 巷道表面位移量監(jiān)測

通過監(jiān)測巷道表面位移量的變化對巷道穩(wěn)定性可提供直觀的說明，以巷道表面位移量為依據(jù)和參考。第1監(jiān)測點設(shè)置在本文所選巷道斷面處，以后每隔20m設(shè)置一個監(jiān)測點，總共布置3個監(jiān)測點。監(jiān)測指標(biāo)為巷道兩幫和頂?shù)装逡平?，監(jiān)測總時間為4個月，每次監(jiān)測間隔為15天，監(jiān)測結(jié)果如下圖。

圖6 巷道表面位移量

由圖6可知，對該支護方案進行監(jiān)測，通過分析匯總4個月內(nèi)巷道圍巖表面的變化量，圍巖兩幫和頂?shù)装逯g的距離均發(fā)生不同程度的移近，其中頂?shù)装逡平?7mm，兩幫部移近22mm，說明該巷道的穩(wěn)定性基本保持不變。巷道圍巖形變與破壞控制在實際生產(chǎn)允許的范圍之內(nèi)。

4.2 錨桿受力荷載變化

圖7 錨桿受力荷載變化量

由圖7可知，對錨桿受力載荷變化進行分析，錨桿受力載荷變化較為均勻。支護完畢的初期錨桿受力荷載基本沒有發(fā)生變化，在之后的時間內(nèi)由于集中應(yīng)力的不斷影響，錨桿承受的荷載開始增加。綜合錨桿受力荷載變化分析可知，其變化規(guī)律符合錨桿的承載能力。

5 總結(jié)

通過對巷道圍巖變形受力情況進行模擬分析，對巷道錨桿支護方案進行實踐研究，并對巷道表面位移量和錨桿受力荷載進行監(jiān)測，綜合表明，錨桿布局設(shè)置與圍巖受力分布相吻合，該煤礦現(xiàn)有錨桿支護方案效果良好。