V类松动圈巷道协同锚固技术的应用

黄学志 郭远博 吴 松

(河南煤业化工集团永煤公司顺和煤矿)

1 工程概况

顺和煤矿－702 m水平西翼轨道运输大巷布置在二叠系下统下石盒子组三煤段和山西组二煤段上部细碎屑岩中，平均抗压强度27 MPa，属二类顶底板。根据巷道勘探结果和实际揭露的地质资料分析，在其通尺150～350 m段，穿越地层为三煤组含煤地层，岩性以厚层砂质泥岩、泥岩为主，中间赋存三4、三2等5～7层薄煤层或炭质泥岩。围岩破碎且变化相对平缓，地应力较大，工程地质条件差，支护难度较大。通尺150～350 m段煤岩力学参数如表1，综合地质柱状图及剖面图见图1。

表1 煤岩力学参数

图1 150～350 m综合地质示意

2 围岩松动圈的测定［1］

结合目前地质条件，首先需要判断巷道围岩的破碎度，即“松动圈”。通过RAMAC地质雷达对顺和煤矿巷道围岩松动破裂范围探测，雷达探测测线沿巷道轴向布置，测线位置分别位于巷道左帮、右帮、底板和顶板处，测得西翼轨道运输大巷横断面围岩松散范围为2～2.2 m，局部接近2.5 m。按照巷道围岩松动圈分类，该巷道处于大松动圈中的V类松动圈中，巷道表现出软岩特征，围岩在经过一段变形之后会进入稳定期。一般的刚性或普通锚网喷支护难以适应，须采用新型锚喷网或U型钢可缩支架才能满足要求［2］。

3 协同锚固方案的确定［3］

针对西翼轨道运输大巷穿越三煤组段大松动圈、地质条件差的情况，根据地质柱状图及剖面图并结合东翼大巷同地层支护参数，确定该段巷道新支护方案——协同支护。基于锚杆锚索及附属支护系统，合理发挥其群锚工作性能，实现主动协同支护(图2)。

图2 巷道断面协同支护示意

通尺150～350 m段巷道揭露的煤线较薄，采用“锚－网－索－喷－注”协同支护形式，锚杆采用22 mm×2 800 mm高强树脂锚杆，每根锚杆配1卷MSK2550(里侧)和1卷MSZ2550(外侧)树脂锚固剂，预紧力矩为200 N·m，锚杆间排距800 mm×800 mm，矩形布置。钢筋梯采用12 mm圆钢焊接而成，由2种规格组成，A种钢筋梯每架长3 280 mm，B种钢筋梯每架长2 480 mm，孔距均为800 mm。巷道的8根顶锚通过1架A种钢筋梯和1架B种钢筋梯连接一起，两帮的帮锚则通过2架B种钢筋梯与顶锚连成一体。

锚索采用18.9 mm×7 500 mm的钢绞线，使用2卷MSK2550和2卷MSZ2550树脂锚固剂。锚索每1.6 m布置1排，每排布置3根，均匀分布在正顶和两肩窝，间距1 800 mm，锚索用钢筋梯进行纵向间断连接，锚索用钢筋梯每架长1 680 mm，孔距1 600 mm，采用14 mm圆钢焊接而成。巷道两帮布置2根18.9 mm×5 500 mm底角锚索，安装在底板上400 mm，角度向下斜与水平线成30°夹角。底板布置3个7 5mm注浆孔注浆并埋注长7 500 mm锚索各1根，待注浆结束后，对锚索进行加压，起到预防底鼓的效果。

4 支护方案的可靠性分析［4］

此协同锚固技术是在总结前人研究成果的基础上，基于锚杆支护的组合拱理论及锚索的悬吊理论两者的协同作用，利用锚杆和锚索的不同张力作用对松动圈内破裂岩体进行加固以约束其碎胀变形，充分发挥锚护构件和锚护结构的最佳性能，使锚护系统功能在宏观整体上大于各子系统之简单总和，即产生“1+1＞2”的协同锚固系统增强效应，从而有效改变巷道围岩锚护结构的应力状态，减少应力集中和较大变形［5］。

(1)锚杆预紧力分析。锚杆预紧力与螺母预紧力矩之间的关系可表示为

式中，P为锚杆预紧力，M为螺母预紧力矩，k为影响系数。k值参考表2。

表2 系数k经验参考值

根据以上经验公式，采用22 mm×2 800 mm高强树脂锚杆，检测扭矩设定为200 N·m(即用扭矩扳手检测时，扭矩达到200 N·m前螺母拧不动)，则锚杆预紧力为P=0.39×200=78 kN，完全满足设计的60 kN。

经过理论公式的验证及松动圈理论，选用22 mm×2 800 mm高强树脂锚杆是完全可行的。同时为了增加锚杆轴力对巷道表面岩体的作用面积，使用钢筋梯进行支护，减少对孔口岩体的破坏。

(2)锚索打设部位。通过数值模拟分析协同支护下围岩受力情况可知，在巷道的两肩窝及两帮底角处是应力集中区，需要加强支护，见图3所示。此时，在关键部位打设锚索进行主动支护，锚固岩层层位距巷道较远，受到围岩扰动比较小，稳定性好。能有效地降低应力集中区受力，使锚杆组合拱系统处于稳定状态。锚索采用18.9 mm×7 500 mm钢绞线，现场张拉仪张拉至40 MPa，根据计算得锚索预紧力为120 kN，满足设计的预紧力100 kN。

图3 锚索－深部围岩相互作用的数值模拟

(3)锚杆、锚索协同锚固应力分析。由图4的Miss应力分布情况看出，在锚杆、锚索不协同锚固下巷道围岩出现应力集中，且底板应力较大，易导致巷道底鼓。在实施协同支护后的应力集中区明显减小，底板的应力集中趋于消失，避免了巷道底鼓，同时应力集中分布较为均匀。

图4 Miss应力分析

5 实验巷道工程监测［5］

西翼轨道大巷试验段每30 m布置1组测点进行测量水平收敛、拱顶下沉及底鼓量，各个测点选在有代表性的围岩中，测点布置如图5。测量工具采用SLJ－02收敛计，读数精度高，测量误差小。测量频率是:1～15 d为1次/d，16 d～1个月为0.5次/d，1～3个月为1次/周，超过3个月为1次/月。实际量测频率根据施工的具体情况，由量测值的变化率和变化量作相应调整。

每组测点布置4个点，每次测量出AB、AC、BC、AD、BD的角度，通过三角形面积公式可以计算出拱顶h1和h2，从而计算出下沉量和底鼓量。

图5 测点布置

通过一段时间的监测，巷道两帮及顶底板收敛变形量如图6所示。

图6 巷道位移变化趋势

从图6可以看出，经过近1个月的压实稳定，巷道已经趋于稳定状态。巷道两帮最大移近量在50 mm范围内，顶底板最大移近量在60 mm范围内，符合设计要求，同时也满足生产的需要。通过巷道围岩应力及变形规律分析，协同锚固技术降低了原岩体内掘进巷道引起的围岩应力，避免了出现应力集中，围岩仍然处于弹性状态。因此所采用的支护形式及参数是符合巷道要求的。

6 经济效益分析［6］

通过同地层段东西翼大巷经济分析，西翼轨道运输大巷采用锚网喷钢筋梯新型协同支护形式，与同样地质条件下采用架棚支护相比，缩短了工期，节省了费用。见表3。

7 结论

(1)巷道围岩松动圈的确定是巷道支护形式确定的一个重要依据。按照围岩应力及松动圈理论设计支护方案，确保支护系统具有足够的安全系数。

表3 经济效益分析

(2)“锚－网－索－喷－注”协同支护，避免了巷道围岩应力集中，降低了围岩应力，增加了围岩强度，改善了围岩受力条件和赋存环境，有效地控制了围岩的变形、破坏，优化了围岩受力条件和赋存环境。

(3)由于该矿水平应力偏大，两帮和底角是巷道围岩的主要承力部位，是破碎区、塑性区最发育的部位，对上述关键部位采用底角锚索加底板注浆，提高了破碎区、塑性区的岩石强度，有效控制了巷道底鼓量。

［1］ 刘红岗，贺永年，韩立军，等.大松动圈围岩锚注与预应力锚索联合支护技术的机理与实践［J］.中国矿业，2007(16):62-65.

［2］ 范铁锤，王景余，段现军，等.大围岩松动圈巷道支护研究［J］.矿山压力与顶板管理，2000(2):14-15.

［3］ 初明祥，梁广锋.岩石巷道锚杆支护系统可靠性研究［J］.煤炭工程，2012(2):60-62.

［4］ 李 元，刘 刚，龙景奎.深部巷道预应力协同支护数值分析［J］.采矿与安全工程学报，2011(6):204-209.

［5］ 李伟利，王 磊，常聚才.基于Hoek－Brown准则的围岩松动圈计算及现场测试［J］.煤炭工程，2011(2):97-99.

［6］ 末宏伟，鹿守敏，周荣章.大松动圈软岩巷道支护［J］.建井技术，1994(4):19-22.