煤矿井下巷道锚索优化布置的效果检验

刘明超

摘 要：煤矿井下巷道，特别是松软岩层地质条件下的巷道，近几年通常采用中空锚索注浆补强支护，在实践中通常采用中空锚索和普通锚索混合布置，文章结合淮南矿业集团顾北煤矿井下松软岩层地质条件下巷道中空锚索注浆补强支护和内窥镜观测的效果检验，总结了矿井下松软岩层地质条件下巷道锚索混合使用、非线性、经济化的优化布置，希望抛砖引玉。

关键词：松软岩层；中空锚索；普通锚索

中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）32-0012-02

1 顾北煤矿相关情况介绍

顾北煤矿地处安徽省淮南市凤台县西北20 km处的平原大地，井底车场水平在-648 m，井下地质条件复杂，分布在松软岩层地质条件下的巷道众多，这种地质条件下的巷道受地压影响，变形量大，巷道维修任务重。巷道松软岩层内的裂隙是巷道不稳定的直接因素，注浆充填加固巷道围岩是稳定巷道的基本保证。随着科技的发展，尤其中空注浆锚索的应用，实现了岩层内裂隙深孔充填注浆。中空锚索和普通锚索均由高强度螺旋肋预应力钢绞线制作，中空锚索的中心为注浆钢管，强度等级为1 770 MPa，普通锚索强度等级为1 880 MPa。同时我们也看到中空锚索与同种规格的实心锚索相比价格昂贵，就淮南地区而言，一根中空锚索的价格是实心锚索的2.5倍左右，它们都有各自优点或不足：中空锚索可以实现在岩层裂隙内注水泥浆充填围岩，实现全长锚固，加强了锚索主动悬吊支护能力，支护效果明显，其不足是由于内置注浆空心管，造成锚索强度等级略低，而且如果都使用中空锚索进行巷道加固，其成本偏高；实心锚索一般使用锚固剂进行端锚，锚固长度一般不超过1.5 m，不能实现全长锚固，在淋水或含水层巷道，锚固剂使用的锚固效果随着时间的推移会逐渐下降，其优点锚索强度等级略高，成本相对较低。目前最理想的的锚索加固是这两种锚索混合布置，通过注浆都实现全长锚固（实心锚索端锚后通过中空锚索注浆充填也能实现全长锚固），既能达到支护效果，又能节约成本。实现中空锚索使用量布置最小化，岩层裂隙注浆充填最大化。非线性、经济化的优化布置方案极大地提高了支护效果和经济效果。

2 裂隙开度和注浆扩散面

顾北矿南翼11-2轨道巷所在岩层为砂质泥岩，裂隙发育，属于松软岩层的特征。

裂隙开度是衡量岩层稳定性一个重要指标，细砂岩裂隙开度较小，岩层比较稳定，其岩层层位的巷道相对稳定，浆液充填量小，一般不需要注浆加固。砂质泥岩裂隙开度相对较大，稳定性差，其岩层层位内的巷道受压变形明显，经常需要卧底改棚修护施工，这样巷道需要注浆加固处理，而且浆液充填量大，通过注浆来充填岩层内的裂隙，能够改善巷道围岩的稳定性能，起到加固巷道的目的。砂质泥岩裂隙开度一般为2～20 mm，特殊情况下这个数值还要大。这个数值的统计是通过注浆后钻芯取样，测量注浆浆液宽度取得的。以前的注浆巷道在后期的巷修改棚刷扩时，从刷扩的断面上也可以轻易测量处各类岩层的裂隙开度。岩层的裂隙是注浆浆液的通道，水泥浆液在裂隙中凝固后能够加固巷道围岩。

通过现场实践，喷浆做为注浆止浆层的巷道，喷浆一般控制在120 mm以内，其注浆的效果最好，能够全面封堵巷道内漏浆的空隙。中空锚索的注浆压力一般不超过15 MPa，压力如果持续升高，会造成浆皮炸裂并漏浆的现象。

注浆扩散面是指浆液在注浆压力和自身重力的作用下扩散的范围。在砂质泥岩巷道注浆的现场实践统计中发现，以中空锚索眼位为中心，其注浆扩散半径一般为3～5 m，其扩散面为30～50 m2。注浆是加固巷道围岩一个方面，锚索悬吊也是加固的一个重要因素。由于中空锚索和普通实心锚索费用比就淮南这个市场来说为2.5？誜1，巷道内中空锚索布置太密，容易出现一根中空锚索注浆把附近的另一根中空注实、使其不能注浆的现象，造成巷道加固成本升高，因此采取把中空锚索注浆扩散面内的中空锚索替换成普通锚索，中空注浆在巷道顶部或肩部注浆时浆液随着自身重力四溢从而形成的扩散面大，既加强了锚索悬吊支护强度，又能降低支护成本，完成经济化一体支护加固布置。

3 锚索非线性布置理论

中空锚索和实心锚索混合布置时，同种规格的锚索在巷道内的布置10 m范围内任意3根不在一条直线上，一根中空锚索的注浆范围尽最大可能的不干扰另一根中空锚索注浆，在一根中空锚索注浆的范围内可以根据岩层岩性布置实心普通锚索。这样的布置能够充分发挥锚索对巷道围岩的悬吊作用，既不至于某个点支护强度过大或不足，又不至于中空锚索注浆时相互干扰，所谓干扰是指一根中空锚索注浆时在其注浆范围把另一根中空锚索孔内充填注实，从而使另一根中空锚索不能注浆，使得其注浆范围内巷道围岩不能得到加固。相对于线性规则成排成列的布置，非线性布置能够补充弱点的支护强度，又能节约巷道支护成本，而线性规则布置使得支护材料成本加大，巷道弱点得不到加强支护。好比几根筷子，规则的放置时，人可以轻易掰断它们，如果适当混乱放置这几根筷子，人就不能轻易掰断。优化的非线性布置就是基于这个理论。

顾北矿南翼11-2轨道巷某段锚索注浆加固非线性、经济化优化布置设计方案如图1所示。该段巷道一个循环布置的长度为10 m，图中7根中空锚索注浆时形成的扩散面曲线能够形成无缝衔接，每个非线性循环布置，中空锚索和实心锚索使用比例为1？誜1，实心锚索单价为1，中空锚索单价为24.5，一个布置循环单价13，如果全部使用中空锚索，其循环布置单价为35，就锚索支护而言，能够减少1/3的支护费用。注浆后，通过内窥镜透视图发现：钻眼时眼孔壁面光滑，说明砂质岩层裂隙内注浆充填较为密实，巷道围岩得到加固，注浆范围内中空锚索和实心锚索都能够实现全长锚固，能够达到悬吊支护效果。透视图如图2所示。

参考文献：

[1] 曹罡，任大春.裂隙岩层三维渗流的随机模型[J].东北水利水电，2006，（2）.

[2] 张连名，周峰，张兆坤.地下岩层裂隙的几种勘察研究方法[J].水文地质工程地质，2003，（4）.

[3] 张电吉，白世伟，杨春和.裂隙岩体渗透性分析研究[J].勘察科学技术，2003，（1）.

[4] 杨太华，孙钧，岩层裂隙非规则几何水力学特性研究[J].岩土工程学报，1997，（19）.

[5] 康延雷，彭新宇，李士东.单家村煤矿井下巷道注浆加固过古断层[J].煤炭科学技术，2004，（2）.

摘 要：煤矿井下巷道，特别是松软岩层地质条件下的巷道，近几年通常采用中空锚索注浆补强支护，在实践中通常采用中空锚索和普通锚索混合布置，文章结合淮南矿业集团顾北煤矿井下松软岩层地质条件下巷道中空锚索注浆补强支护和内窥镜观测的效果检验，总结了矿井下松软岩层地质条件下巷道锚索混合使用、非线性、经济化的优化布置，希望抛砖引玉。

关键词：松软岩层；中空锚索；普通锚索

中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）32-0012-02

1 顾北煤矿相关情况介绍

顾北煤矿地处安徽省淮南市凤台县西北20 km处的平原大地，井底车场水平在-648 m，井下地质条件复杂，分布在松软岩层地质条件下的巷道众多，这种地质条件下的巷道受地压影响，变形量大，巷道维修任务重。巷道松软岩层内的裂隙是巷道不稳定的直接因素，注浆充填加固巷道围岩是稳定巷道的基本保证。随着科技的发展，尤其中空注浆锚索的应用，实现了岩层内裂隙深孔充填注浆。中空锚索和普通锚索均由高强度螺旋肋预应力钢绞线制作，中空锚索的中心为注浆钢管，强度等级为1 770 MPa，普通锚索强度等级为1 880 MPa。同时我们也看到中空锚索与同种规格的实心锚索相比价格昂贵，就淮南地区而言，一根中空锚索的价格是实心锚索的2.5倍左右，它们都有各自优点或不足：中空锚索可以实现在岩层裂隙内注水泥浆充填围岩，实现全长锚固，加强了锚索主动悬吊支护能力，支护效果明显，其不足是由于内置注浆空心管，造成锚索强度等级略低，而且如果都使用中空锚索进行巷道加固，其成本偏高；实心锚索一般使用锚固剂进行端锚，锚固长度一般不超过1.5 m，不能实现全长锚固，在淋水或含水层巷道，锚固剂使用的锚固效果随着时间的推移会逐渐下降，其优点锚索强度等级略高，成本相对较低。目前最理想的的锚索加固是这两种锚索混合布置，通过注浆都实现全长锚固（实心锚索端锚后通过中空锚索注浆充填也能实现全长锚固），既能达到支护效果，又能节约成本。实现中空锚索使用量布置最小化，岩层裂隙注浆充填最大化。非线性、经济化的优化布置方案极大地提高了支护效果和经济效果。

2 裂隙开度和注浆扩散面

顾北矿南翼11-2轨道巷所在岩层为砂质泥岩，裂隙发育，属于松软岩层的特征。

裂隙开度是衡量岩层稳定性一个重要指标，细砂岩裂隙开度较小，岩层比较稳定，其岩层层位的巷道相对稳定，浆液充填量小，一般不需要注浆加固。砂质泥岩裂隙开度相对较大，稳定性差，其岩层层位内的巷道受压变形明显，经常需要卧底改棚修护施工，这样巷道需要注浆加固处理，而且浆液充填量大，通过注浆来充填岩层内的裂隙，能够改善巷道围岩的稳定性能，起到加固巷道的目的。砂质泥岩裂隙开度一般为2～20 mm，特殊情况下这个数值还要大。这个数值的统计是通过注浆后钻芯取样，测量注浆浆液宽度取得的。以前的注浆巷道在后期的巷修改棚刷扩时，从刷扩的断面上也可以轻易测量处各类岩层的裂隙开度。岩层的裂隙是注浆浆液的通道，水泥浆液在裂隙中凝固后能够加固巷道围岩。

通过现场实践，喷浆做为注浆止浆层的巷道，喷浆一般控制在120 mm以内，其注浆的效果最好，能够全面封堵巷道内漏浆的空隙。中空锚索的注浆压力一般不超过15 MPa，压力如果持续升高，会造成浆皮炸裂并漏浆的现象。

注浆扩散面是指浆液在注浆压力和自身重力的作用下扩散的范围。在砂质泥岩巷道注浆的现场实践统计中发现，以中空锚索眼位为中心，其注浆扩散半径一般为3～5 m，其扩散面为30～50 m2。注浆是加固巷道围岩一个方面，锚索悬吊也是加固的一个重要因素。由于中空锚索和普通实心锚索费用比就淮南这个市场来说为2.5？誜1，巷道内中空锚索布置太密，容易出现一根中空锚索注浆把附近的另一根中空注实、使其不能注浆的现象，造成巷道加固成本升高，因此采取把中空锚索注浆扩散面内的中空锚索替换成普通锚索，中空注浆在巷道顶部或肩部注浆时浆液随着自身重力四溢从而形成的扩散面大，既加强了锚索悬吊支护强度，又能降低支护成本，完成经济化一体支护加固布置。

3 锚索非线性布置理论

中空锚索和实心锚索混合布置时，同种规格的锚索在巷道内的布置10 m范围内任意3根不在一条直线上，一根中空锚索的注浆范围尽最大可能的不干扰另一根中空锚索注浆，在一根中空锚索注浆的范围内可以根据岩层岩性布置实心普通锚索。这样的布置能够充分发挥锚索对巷道围岩的悬吊作用，既不至于某个点支护强度过大或不足，又不至于中空锚索注浆时相互干扰，所谓干扰是指一根中空锚索注浆时在其注浆范围把另一根中空锚索孔内充填注实，从而使另一根中空锚索不能注浆，使得其注浆范围内巷道围岩不能得到加固。相对于线性规则成排成列的布置，非线性布置能够补充弱点的支护强度，又能节约巷道支护成本，而线性规则布置使得支护材料成本加大，巷道弱点得不到加强支护。好比几根筷子，规则的放置时，人可以轻易掰断它们，如果适当混乱放置这几根筷子，人就不能轻易掰断。优化的非线性布置就是基于这个理论。

顾北矿南翼11-2轨道巷某段锚索注浆加固非线性、经济化优化布置设计方案如图1所示。该段巷道一个循环布置的长度为10 m，图中7根中空锚索注浆时形成的扩散面曲线能够形成无缝衔接，每个非线性循环布置，中空锚索和实心锚索使用比例为1？誜1，实心锚索单价为1，中空锚索单价为24.5，一个布置循环单价13，如果全部使用中空锚索，其循环布置单价为35，就锚索支护而言，能够减少1/3的支护费用。注浆后，通过内窥镜透视图发现：钻眼时眼孔壁面光滑，说明砂质岩层裂隙内注浆充填较为密实，巷道围岩得到加固，注浆范围内中空锚索和实心锚索都能够实现全长锚固，能够达到悬吊支护效果。透视图如图2所示。

参考文献：

[1] 曹罡，任大春.裂隙岩层三维渗流的随机模型[J].东北水利水电，2006，（2）.

[2] 张连名，周峰，张兆坤.地下岩层裂隙的几种勘察研究方法[J].水文地质工程地质，2003，（4）.

[3] 张电吉，白世伟，杨春和.裂隙岩体渗透性分析研究[J].勘察科学技术，2003，（1）.

[4] 杨太华，孙钧，岩层裂隙非规则几何水力学特性研究[J].岩土工程学报，1997，（19）.

[5] 康延雷，彭新宇，李士东.单家村煤矿井下巷道注浆加固过古断层[J].煤炭科学技术，2004，（2）.

摘 要：煤矿井下巷道，特别是松软岩层地质条件下的巷道，近几年通常采用中空锚索注浆补强支护，在实践中通常采用中空锚索和普通锚索混合布置，文章结合淮南矿业集团顾北煤矿井下松软岩层地质条件下巷道中空锚索注浆补强支护和内窥镜观测的效果检验，总结了矿井下松软岩层地质条件下巷道锚索混合使用、非线性、经济化的优化布置，希望抛砖引玉。

关键词：松软岩层；中空锚索；普通锚索

中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）32-0012-02

1 顾北煤矿相关情况介绍

顾北煤矿地处安徽省淮南市凤台县西北20 km处的平原大地，井底车场水平在-648 m，井下地质条件复杂，分布在松软岩层地质条件下的巷道众多，这种地质条件下的巷道受地压影响，变形量大，巷道维修任务重。巷道松软岩层内的裂隙是巷道不稳定的直接因素，注浆充填加固巷道围岩是稳定巷道的基本保证。随着科技的发展，尤其中空注浆锚索的应用，实现了岩层内裂隙深孔充填注浆。中空锚索和普通锚索均由高强度螺旋肋预应力钢绞线制作，中空锚索的中心为注浆钢管，强度等级为1 770 MPa，普通锚索强度等级为1 880 MPa。同时我们也看到中空锚索与同种规格的实心锚索相比价格昂贵，就淮南地区而言，一根中空锚索的价格是实心锚索的2.5倍左右，它们都有各自优点或不足：中空锚索可以实现在岩层裂隙内注水泥浆充填围岩，实现全长锚固，加强了锚索主动悬吊支护能力，支护效果明显，其不足是由于内置注浆空心管，造成锚索强度等级略低，而且如果都使用中空锚索进行巷道加固，其成本偏高；实心锚索一般使用锚固剂进行端锚，锚固长度一般不超过1.5 m，不能实现全长锚固，在淋水或含水层巷道，锚固剂使用的锚固效果随着时间的推移会逐渐下降，其优点锚索强度等级略高，成本相对较低。目前最理想的的锚索加固是这两种锚索混合布置，通过注浆都实现全长锚固（实心锚索端锚后通过中空锚索注浆充填也能实现全长锚固），既能达到支护效果，又能节约成本。实现中空锚索使用量布置最小化，岩层裂隙注浆充填最大化。非线性、经济化的优化布置方案极大地提高了支护效果和经济效果。

2 裂隙开度和注浆扩散面

顾北矿南翼11-2轨道巷所在岩层为砂质泥岩，裂隙发育，属于松软岩层的特征。

裂隙开度是衡量岩层稳定性一个重要指标，细砂岩裂隙开度较小，岩层比较稳定，其岩层层位的巷道相对稳定，浆液充填量小，一般不需要注浆加固。砂质泥岩裂隙开度相对较大，稳定性差，其岩层层位内的巷道受压变形明显，经常需要卧底改棚修护施工，这样巷道需要注浆加固处理，而且浆液充填量大，通过注浆来充填岩层内的裂隙，能够改善巷道围岩的稳定性能，起到加固巷道的目的。砂质泥岩裂隙开度一般为2～20 mm，特殊情况下这个数值还要大。这个数值的统计是通过注浆后钻芯取样，测量注浆浆液宽度取得的。以前的注浆巷道在后期的巷修改棚刷扩时，从刷扩的断面上也可以轻易测量处各类岩层的裂隙开度。岩层的裂隙是注浆浆液的通道，水泥浆液在裂隙中凝固后能够加固巷道围岩。

通过现场实践，喷浆做为注浆止浆层的巷道，喷浆一般控制在120 mm以内，其注浆的效果最好，能够全面封堵巷道内漏浆的空隙。中空锚索的注浆压力一般不超过15 MPa，压力如果持续升高，会造成浆皮炸裂并漏浆的现象。

注浆扩散面是指浆液在注浆压力和自身重力的作用下扩散的范围。在砂质泥岩巷道注浆的现场实践统计中发现，以中空锚索眼位为中心，其注浆扩散半径一般为3～5 m，其扩散面为30～50 m2。注浆是加固巷道围岩一个方面，锚索悬吊也是加固的一个重要因素。由于中空锚索和普通实心锚索费用比就淮南这个市场来说为2.5？誜1，巷道内中空锚索布置太密，容易出现一根中空锚索注浆把附近的另一根中空注实、使其不能注浆的现象，造成巷道加固成本升高，因此采取把中空锚索注浆扩散面内的中空锚索替换成普通锚索，中空注浆在巷道顶部或肩部注浆时浆液随着自身重力四溢从而形成的扩散面大，既加强了锚索悬吊支护强度，又能降低支护成本，完成经济化一体支护加固布置。

3 锚索非线性布置理论

中空锚索和实心锚索混合布置时，同种规格的锚索在巷道内的布置10 m范围内任意3根不在一条直线上，一根中空锚索的注浆范围尽最大可能的不干扰另一根中空锚索注浆，在一根中空锚索注浆的范围内可以根据岩层岩性布置实心普通锚索。这样的布置能够充分发挥锚索对巷道围岩的悬吊作用，既不至于某个点支护强度过大或不足，又不至于中空锚索注浆时相互干扰，所谓干扰是指一根中空锚索注浆时在其注浆范围把另一根中空锚索孔内充填注实，从而使另一根中空锚索不能注浆，使得其注浆范围内巷道围岩不能得到加固。相对于线性规则成排成列的布置，非线性布置能够补充弱点的支护强度，又能节约巷道支护成本，而线性规则布置使得支护材料成本加大，巷道弱点得不到加强支护。好比几根筷子，规则的放置时，人可以轻易掰断它们，如果适当混乱放置这几根筷子，人就不能轻易掰断。优化的非线性布置就是基于这个理论。

顾北矿南翼11-2轨道巷某段锚索注浆加固非线性、经济化优化布置设计方案如图1所示。该段巷道一个循环布置的长度为10 m，图中7根中空锚索注浆时形成的扩散面曲线能够形成无缝衔接，每个非线性循环布置，中空锚索和实心锚索使用比例为1？誜1，实心锚索单价为1，中空锚索单价为24.5，一个布置循环单价13，如果全部使用中空锚索，其循环布置单价为35，就锚索支护而言，能够减少1/3的支护费用。注浆后，通过内窥镜透视图发现：钻眼时眼孔壁面光滑，说明砂质岩层裂隙内注浆充填较为密实，巷道围岩得到加固，注浆范围内中空锚索和实心锚索都能够实现全长锚固，能够达到悬吊支护效果。透视图如图2所示。

参考文献：

[1] 曹罡，任大春.裂隙岩层三维渗流的随机模型[J].东北水利水电，2006，（2）.

[2] 张连名，周峰，张兆坤.地下岩层裂隙的几种勘察研究方法[J].水文地质工程地质，2003，（4）.

[3] 张电吉，白世伟，杨春和.裂隙岩体渗透性分析研究[J].勘察科学技术，2003，（1）.

[4] 杨太华，孙钧，岩层裂隙非规则几何水力学特性研究[J].岩土工程学报，1997，（19）.

[5] 康延雷，彭新宇，李士东.单家村煤矿井下巷道注浆加固过古断层[J].煤炭科学技术，2004，（2）.