不同支护形式下深部巷道支护对比试验研究＊

张斌川 卢 辉 刘 路 卢志江 保天才 李炜强 王福利

（中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083）

深部巷道在构造应力和采动应力影响下，围岩变形破坏机理十分复杂，巷道支护形式不合理或支护不匹配，导致支护效果差。而现有的锚杆支护材料大都强度低、刚度低、预应力低和初期锚固力小，不能有效控制围岩变形发展。因此，对不同支护形式下的巷道支护进行对比试验研究有助于逐渐认识巷道变形破坏机理，控制巷道围岩变形和改善巷道支护效果。

本文以协庄矿1202E 运输巷为背景，针对现有巷道支护现状，通过现场工业试验，对全螺纹钢锚杆支护、淮北高强锚杆支护和高预紧力强力锚杆支护3 种支护形式在协庄矿1202E 运输巷进行对比试验研究，并对巷道支护效果进行分析，为合理确定巷道支护形式提供依据。

1 地质概况

协庄矿1202E 运输巷位于新汶矿区，埋深1047m。该巷道沿2＃煤层顶板掘进，巷道断面形状为梯形。该区域内2＃煤层走向80°～90°，平均厚度2.4m，厚度稳定，煤岩成分以半亮煤为主，硬度系数 为2～3，煤层倾角20°～26°，巷道岩层分布及岩性特征见表1。在该巷道内采用水压致裂地应力测量方法进行了地应力测量。测量结果表明，该处最大水平主应力为34.6 MPa，方向为N12.5°E；最小水平主应力为17.89 MPa，垂直主应力为30.48 MPa。

表1 巷道岩层分布及岩性特征

2 理论分析

2.1 锚固前后煤体强度变化

国内外学者对锚杆支护理论进行了比较全面、系统的研究，大致形成了悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论、最大水平应力理论等相关理论。尽管锚杆支护在不同地质条件下作用机理可能不同，但锚杆支护能不同程度地提高锚固煤岩体的强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角等力学参数。而且，锚杆能改善破碎区、塑性区内煤岩石的力学性质，提高煤岩体屈服后的强度。

2.2 支护参数设计

为研究不同支护形式及参数在1202E 运输巷的支护效果，巷道采用了3种支护形式进行对比试验。第一种为原巷道支护采用的全螺纹钢锚杆，第二种为淮北生产的450号高强锚杆，第三种为高预紧力强力锚杆。

2.2.1 全螺纹钢锚杆支护参数

巷道采用锚带网及锚索联合支护。顶板采用3600m 长的W 或M 型钢带，配10＃菱形铁丝网（网片规格4000 mm×1000 mm）及6 根直径为22mm全螺纹钢锚杆，其中，两肩窝处的锚杆长为2400mm，其余的长为2200mm，锚杆间排距750 mm×1000mm；两帮各采用ø20mm×2000mm全螺纹钢锚杆配钢丝绳梯子梁 （或钢筋梯子梁、胶带梯子梁）及塑料网 （上帮网片3500 mm×1000 mm、下帮网片2000mm×1000mm）护帮，上帮4根锚杆，间距1000 mm，下帮3 根锚杆，间距1000mm，锚固方式为加长锚，每根锚杆使用两根Z2835型树脂锚固剂。菱形网及塑料网网孔规格为50mm×50mm。

2.2.2 淮北高强锚杆支护参数

原支护参数不变，将全螺纹锚杆替换为淮北生产的450号高强锚杆，锚杆长度和直径不变。

2.2.3 高预紧力强力锚杆支护参数

通过数值模拟分析，确定高预紧力强力锚杆支护杆体为25＃左旋无纵筋锚杆专用螺纹钢筋，直径25mm，长度2.4m，杆尾螺纹为M27。锚固方式采用树脂加长锚固，采用两支锚固剂，一支规格为K2835，另一支规格为Z2860。采用W 钢带护顶护帮，钢带规格厚度5 mm，宽280 mm，长3800mm、3500 mm 和1800 mm。锚杆托盘采用拱型高强度托盘，承载能力不低于400kN。采用金属经纬网护顶护帮，网片规格分别为4500 mm×900mm、3600mm×900mm 和1900mm×900 mm，网孔为50mm×50mm。高预紧力强力锚杆支护的锚杆数量、排列方式与全螺纹钢锚杆、淮北高强锚杆相一致。

2.3 支护效果分析

2.3.1 巷道表面位移

图1为不同支护形式条件下巷道表面位移观测曲线图。从图1可以看出，3种锚杆支护形式对巷道围岩变形的控制作用相差很大。其中，全螺纹钢锚杆支护段巷道变形量最大，两帮移近量高达779mm，两帮移近速度达5.23mm／d，顶底板移近量为930mm，顶底板速度达6.24mm／d；淮北高强锚杆支护变形量有所减小，但减小的幅度并不大，两帮移近量仍有507 mm，两帮移近速度达3.40mm／d，顶底板移近量866mm，顶底板速度达5.81mm／d。相比全螺纹钢锚杆支护和淮北高强锚杆支护，高预紧力强力锚杆支护效果明显改善，巷道两帮移近量仅为173mm，两帮移近速度仅有1.2mm／d，顶底板移近量仅为281 mm，顶底板速度仅有1.9mm／d。因此，无论是顶底板移近量还是两帮移近量，高预紧力强力锚杆支护效果都明显强于其他两种支护方式，说明高预紧力强力锚杆支护能更有效控制巷道围岩的变形。

图1 3种锚杆支护巷道表面位移观测曲线

2.3.2 巷道顶板离层

图2为不同支护形式条件下巷道顶板离层观测曲线图。与巷道表面位移规律相似，3种锚杆支护形式中全螺纹钢锚杆支护顶板离层量最大，最大值约为80mm，淮北高强锚杆支护顶板离层量次之，最大值约为57 mm，高预紧力强力锚杆支护离层量最小，最大值约4mm。可见高预紧力强力锚杆支护具有明显的优势。

2.3.3 锚杆受力

在现场采用全螺纹钢锚杆、淮北高强锚杆和高预紧力强力锚杆各5根进行巷道支护试验，表2为运输巷在不同支护形式条件下巷道锚杆受力计数据，从表中可以得出全螺纹钢锚杆和淮北高强锚杆的测力计数据上升很快，而高预紧力强力锚杆由于预紧力远大于其他两种锚杆，高预紧力强力锚杆受力变化量较小且相对稳定。高预紧力强力锚杆有助于将巷道围岩锚固在一起，形成一个整体，从而抑制围岩膨胀离层现象的发生。

图2 3种锚杆支护顶板离层曲线

表2 锚杆受力计数据

从表2中可以看出，全螺纹钢锚杆初始受力较小，安装后受力增加很快，可能是受到巷道开挖的影响，锚杆在开挖一定时间后增长到屈服极限，之后缓慢增长到强度极限，在强度极限后出现颈缩现象，锚杆拉力减小，直至被拉断；淮北高强锚杆受力变化幅度相对较小，但预紧力不高导致容易被拉断；高预紧力强力锚杆由于安装时锚杆受力较高，之后变化幅度较小，这是因为高预紧力强力锚杆及时对围岩提供了约束力。在监测过程中发现高预紧力锚杆未达到屈服极限，从而杜绝了拉伸破坏的发生。

2.4 支护效果评价

全螺纹钢锚杆由于强度低、刚度低、预紧力小，支护效果差，巷道顶底板和两帮变形严重；淮北高强锚杆虽然在锚杆受力和控制巷道变形方面有所改善，但由于预紧力不高，在深部高地应力作用下仍不能有效控制顶板离层和两帮位移，不能满足支护要求；高预紧力强力锚杆具有强度大、刚度大、预紧力高的优势，能有效控制顶板离层和两帮位移，顶板离层量小于10mm，底臌量在300mm以内，两帮移近量小于200mm，断面收缩率由原支护条件下的45.5%下降为13.6%。同时，高预紧力强力锚杆支护还杜绝了锚杆拉伸破坏，实现了回采巷道一次成巷，巷道支护状况发生了根本性的改变，支护效果得到大幅度改善。

3 结论

（1）巷道锚杆支护能不同程度地提高煤岩体强度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角等力学参数，改善破碎区、塑性区内煤岩石的力学性质，提高其屈服后的强度，使煤岩的破坏变得相对平缓。

（2）在深部高应力条件下，原有的全螺纹钢锚杆支护因为自身强度、刚度、预紧力低，巷道变形破坏严重；淮北高强锚杆在锚杆受力和控制巷道变形方面有所改善，但在高地应力作用下仍不能有效控制围岩变形，不能满足支护要求；高预紧力强力锚杆具有强度高、刚度大、预紧力大的优势，有效控制了顶板离层和两帮位移。

（3）相比原有的全螺纹钢锚杆支护和淮北高强锚杆，高预紧力强力锚杆支护杜绝了锚杆拉伸破坏，实现了回采巷道一次成巷，支护状况发生了根本性的改变，有效改善了巷道支护效果。

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