螺旋式自攻锚杆在软岩巷道支护中的应用

刘 红

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司)

螺旋式自攻锚杆在软岩巷道支护中的应用

刘 红1,2

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司)

以某矿区软岩巷道21502运巷为依托，通过不同支护形式试验效果对比分析，表明所采用的螺旋自攻全程锚固锚杆对巷道支护形式是合理可行的,支护效果显著，实现了软岩巷道安全有效的支护。

巷道支护 自攻全程锚固锚杆 作用机理

某矿位于渭北煤田东北部，是20世纪70年代开发的老矿区。矿区地质条件复杂，为松软煤层，赋存极不稳定，各种灾害都比较严重，严重制约矿区的高效生产。近年来，为了解决巷道支护的问题，采用“锚、网、索”联合支护技术，巷道整体支护效果较之前得到明显提高，但帮部支护效果不甚理想，无法满足现场要求。破碎围岩变形较大，若支护不合理，巷道围岩产生局部变形并极易破坏失稳[1-5]。巷道矿压显现剧烈，变形严重，严重影响运输、通风和行人等。为此,进行了不同支护形式的支护试验对比分析，确定出合理有效的巷道支护形式，为该矿松软煤层巷道支护提供有效的技术手段。

1 软岩巷道支护试验

该矿南一采区21502运巷沿5#煤层顶板掘进施工。5#煤层平均厚2.9 m，倾角3°～6°，直接顶为细砂岩，直接底为粉砂岩。21502运巷上部为3#煤层采空区及正在回采的21303综采工作面，因此，21502运巷受上方工作面煤柱应力集中以及综采面回采的动压影响，巷道变形比较严重。

1.1 21502运巷原支护形式

21502运巷设计为矩形巷道，高3 000 mm，宽 5 000 mm，支护排距1 200 mm，全断面铺设菱形网，顶板采用全锚索支护，φ17.8 mm×6 000 mm和φ17.8 mm×3 800 mm,锚索间隔支护，帮部采用φ18 mm×2 000 mm可回收中空管锚杆和φ20 mm×2 200 mm冷压头等强锚杆支护，支护形式如图1所示。

图1 21502运巷试验前支护形式(单位:mm)

通过监测，帮部支护强度不够，两帮的移近量和底鼓较为严重，影响通风和行人安全，必须加强帮锚杆的支护强度。

1.2 21502运巷新支护形式

改进后的支护形式如图2所示。顶板支护形不变，帮部采用φ22 mm×3 500 mm螺旋式自攻锚固锚杆，如图3所示，靠近下部锚杆向地板下扎40°，以防巷道底鼓。

图2 21502运巷试验的新支护形式(单位:mm)

1.3 螺旋式自攻锚杆的作用机理

螺旋式自攻锚固锚杆杆体与孔壁全长接触，产生径向张力，且沿锚杆全长分布，当锚杆垫板紧贴岩面后，对岩石产生支承抗力，使锚杆周围的岩石产生三维压缩，形成一个独特的梨形压力球，如图4。锚杆按一定的间距布置，梨形压力球叠合连锁，形成岩石压缩带，改善了围岩应力状态，围岩整体性增强，承载能力提高，从而使围岩得以稳定。

图3 螺旋式自攻锚固锚杆示意

图4 螺旋式自攻锚固锚杆作用机理示意

螺旋式自攻锚固锚杆，无论锚杆直径还是锚杆长度都大于原支护的中空管锚杆和冷压头等强锚杆。根据围岩强化理论，锚杆加固作用引起的锚固体变形模量增加值为：

(1)

式中，Em为锚固体变形模量的增加值，MPa；Eb为锚杆弹性模量，MPa；a1、a2分别为锚杆的间、排距，m；d为锚杆直径，m。

从式(1)可以看出，在锚杆材质、锚杆安装参数相同的情况下，锚杆直径越大，锚固体变形模量的增加值就越大。螺旋式自攻锚固锚杆采用Q235圆钢制作，杆体直径为22 mm，锚杆间排距为0.8 m×1.2 m，根据式(1)计算，锚固体变形模量的增加值为79 MPa，对于强度较低的煤岩体，该锚杆在煤岩体破坏前对其强度有明显地提高作用。

2 监测数据分析

对21502运巷试验前后支护效果进行了监测数据对比，如图5中所示。

由图5可以看出，新支护形式支护巷道，两帮移近量和顶底板移近量比原支护形式有明显减少，顶底板移近量由原支护形式下的510 mm降低到28 mm，两帮移近量由680 mm降低到30 mm。新的支护形式明显改善了围岩应力状态，护帮效果明显，保证了围岩稳定性。由此可知，采用螺旋式自攻锚固锚杆可以大幅度的提高锚固力，加强对巷道的支护。

图5 试验前后支护矿压监测数据

3 结 论

(1)螺旋式自攻全程锚固锚杆通过锚杆体与钻孔壁的压紧作用，沿杆体全长产生径向压应力和轴向摩擦力，在围岩中产生压应力场，杆体受力对围岩变形和离层很敏感，能及时抑制围岩离层与滑动。

(2)φ18 mm×2 000 mm可回收中空管锚杆和φ20 mm×2 200 mm冷压头等强锚杆护帮，两帮移近量和底鼓量增大，无法满足采场支护的需求；采用φ22 mm×3 500 mm自攻全程锚固锚杆护帮效果明显，顶底板的移近量、两帮的移近量大幅降低，确保了巷道足够的安全空间。

(3)软岩支护应向高强度、高预紧力、大排距、低密度的支护模式转变，螺旋式自攻全程锚固锚杆在软岩支护方面有很大的应用前景。

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2015-04-22)

刘 红(1983—)，女，工程师，硕士，400037 重庆市上桥三村55号。