底角锚杆作用效果的现场试验研究

孟德军，经来旺，苗育生，郝朋伟，卢小雨，江向阳

(1.中国矿业大学(北京)，北京 100083；2.安徽理工大学，安徽 淮南 232001；3.淮北矿业股份有限责任公司杨庄煤矿，安徽 淮北 235025)

长期以来，软岩巷道底臌一直是我国煤矿生产过程中十分头痛的问题，虽然众多专家、学者获得了许多研究成果[1-7]，但并未能从根本上解决这一问题。底臌现象之所以难以消除，除了存在有某些特殊的客观原因之外，但主要的原因还在于人们对底臌发生的力学机理尚没有完全认识清楚，对于岩体移向巷道的动力来源及其移动规律尚没能完全揭示，由于篇幅的原因，关于底臌发生的力学机理，将在其他文章中进行专门介绍，本文仅就底臌发生机理的一项研究成果——底角锚杆的现场应用情况进行公开，希望能够为煤矿软岩巷道底臌的治理提供一个较好的参照。

本文的研究背景是淮北矿业股份有限责任公司杨庄煤矿IV53采区轨道下山，具体研究的内容包括工程地质概况、支护方案设计、底角锚杆施工要点、底角锚杆加固围岩效果监测。

1 工程地质概况

回风下山服务对象为IV53采区，IV53采区位于井田深部，西边界以III53采区边界为界；东南以III53采区为邻，北至杨庄与朱庄矿矿界。该采区上部为III53采区。采区南北平均1000m，东西平均700m。面积0.7km2。IV53采区地质构造主要以褶曲和岩浆岩侵入为主。整个采区煤岩层产状变化较大，总体为向斜构造，近圆盆。

服务于IV53采区的下山巷道共有4条。4条下山相互平行，分别是回风下山、运输机下山、回风下山、人行下山。下山间距从南向北依次为：人行下山与轨道下山间距25m，轨道下山与回风下山间距为30m，运输机下山与回风下山间距为25m。

回风下山上部位于III53人行下山以东，下部位于向阳沟向斜轴附近，方位288°，布置在5煤底板下20～35m，下山倾角21°，斜长415.2m。

整个回风下山巷道围岩岩性较差，以砂质泥岩为主。

特殊的地质条件使得杨庄矿IV53采区回风下山具有一些其他岩石巷道不具备的特征，具体表述如下：

1) 上部20～35m为5煤煤层，所以煤层开采不仅会给该巷道带来很大的动压，而且煤层开采后应力重新分布也会引发巷道较大的变形，故巷道支护必须具备抗动压能力；

2) 巷道位于向阳沟向斜轴附近，而向斜轴附近通常是相应地层中构造应力较大的地方，向斜轴为南北走向，而回风下山方位为288°，所以回风下山无疑将受到该区域接近最大值的构造应力影响，所以巷道支护必须具备抵抗构造应力的能力；

3) 回风下山的南边是人行下山，北边是回风下山，平行间距分别是25m和30m，巷道开拓会对周围岩体的应力分布产生影响，回风下山则处于南北两条下山的影响范围之内，尽管这种影响弱于上面两方面的影响，但巷道支护仍需考虑；

4) 回风下山穿越的岩体大多为砂质泥岩，砂质泥岩侵水后强度会数倍下降，故巷道支护设计中绝不能忽略这一问题。

2 支护方案设计

2.1 锚网巷道支护断面

断面形状：直墙半圆拱,断面规格：净宽×净高=3800mm×3400mm， S掘=14.8m2。

2.2 支护设计

2.2.1 试验段支护设计

支护形式：采用全断面锚网支护。

支护参数、规格、材料：①帮顶锚杆采用M22mm L2200mm高强螺纹钢锚杆，间排距800mm×800mm，锚杆托盘为8mm×150mm×150mm的钢板冷轧碟型盘，锚杆按矩形布置。

底角锚杆采用M22mmL2400mm高强螺纹钢锚杆，排距600mm，与水平成45°。

锚固剂均采用Z2550型树脂卷，每眼2根树脂卷。锚杆预紧力距不小于300N·m，锚杆锚固力不小于120kN；②钢筋网采用Φ6mm圆钢焊接，规格：900mm×1700mm；③喷射混凝土配比严格按水泥∶黄沙∶瓜子片=1∶2∶2进行配比(体积比)，水灰比0.4～0.5，

采用425#硅酸盐水泥，速凝挤掺量为水泥重量的4%。喷浆厚度：初喷30mm，复喷后总厚度为150mm，墙脚基础深度不小于100mm，复喷前必须洒水冲洗喷层表面，复喷距迎头30m。

2.2.2 非试验段支护设计

非试验段除了无底角锚杆之外，其余同试验段。

3 底角锚杆施工要点

3.1 施工底角锚杆存在问题

底角部位是巷道围岩中应力集中程度最高的地方，环向集中应力很大，由于围岩软弱、破碎，直接打钻极难成孔，往往钻头钻至1500mm处，由于围岩抱钻等因素，施工往往被迫停止，即使偶尔侥幸钻至孔底，一旦钻杆拔出钻孔，钻孔即刻撮合，锚杆无法安装。

3.2 底角锚杆施工方法

为了底角锚杆孔能够顺利成孔，在钻孔前24h，对帮底交界部位实施注浆处理，浆液水灰比0.7∶1，注浆孔深度1200mm，注浆时间以5min为宜，由于底角部位岩体破碎，故该注浆一般均是无压注浆。注浆孔可用风锤造孔。

注浆24h后，利用风锤即可快速钻至2400mm处，且不会再有抱钻、撮孔情况发生。锚杆锚固的方法与巷道帮顶部位锚杆的锚固方法无异，但托盘下必须用混凝土(或快干水泥)填实。

4 底角锚杆加固围岩效果

4.1 测点布置

为了获取较为全面的数据来了解“底角锚杆”的加固效果，此次观测在回风下山内相隔50m 各取2段巷道，第一段没有设置底角锚杆，第二段设置有底角锚杆。每段巷道各布置5个观测测站，测站间距10m，如图1所示。每个测站包括两帮帮底、两帮拱脚和顶底六个观测测点，其中两帮帮底的测点距离轨道面200mm，两帮拱脚的测点距离轨道面1200mm，如图2所示。其余四个测点布置如图3所示。

图2 帮部测点布置示意图

图3 测点布置示意图

帮部测点由锚杆头充当，使用时先将外漏锚杆退锚，再用12#铁丝在锚杆端部拧设大小合适的铁环，而后将锚杆重新锚固以固定铁环。顶底测点的设置比较麻烦，需在地面加工长300mm且一端端部带钩的铁钎。安装时，需用锚杆钻机在预定位置打孔，并配合快速水泥将测点固定。

4.2 测试结果

巷道测试结果如图4～6所示。

图4 巷道帮部日变形量

图5 巷道帮底日变形量

图6 巷道顶底日变形量

4.3 测试结果分析

由图4～图6所知，由于底脚锚杆的作用，巷道顶底移近量仅为原来的1/10左右，帮部移近量降低了近40%，帮底移近量降低了近1/3，足以说明底脚锚杆对巷道变形的控制效果。

5 结语

1)杨庄煤矿IV53采区轨道下山测试结果表明，底角锚杆控制底臌效果显著。

2)底角锚杆控制底臌的效果并不是对所有情况下的软岩巷道都是一样的，它涉及巷道所处岩层地应力的大小、方位，巷道上下一定范围岩层的物理力学性质、所处岩层的倾角等。

3)本文研究的对象是一个下山巷道，其最大的特征是底板无游离水的存在，这与一般的水平巷道是完全不一样的，一般的水平巷道底板中含有大量的游离水，这对泥质底板的承载强度存在巨大的影响。对于一般的水平巷道，底角锚杆的效果不及上下山巷道，治理底臌时尚需考虑其他手段。

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