锚架组合支护在岩巷支护中的应用

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【摘 要】有关高地压软岩巷道支护技术的研究很多，但目前的支护技术还存在着一些问题，不是支护效果不尽人意，就是支护成本太高。本文探讨采用锚架组合进行支护，试图在力学机理方面对支护机理和支护效应进行了一种全新的挖掘和确定。

【关键词】岩巷支护；锚架组合；支护机理；实践

软岩巷道支护一直是煤炭开采中的十分重要问题，随着煤炭开采向纵深发展，软岩巷道支护问题就越来越突出。已应用于软岩巷道支护的技术措施己很多，金属支架、锚喷支护、砌谴支护、巷帮围岩卸压支护及联合支护等多种方式，目前我国绝大多数高地压、软岩巷道也在追求复合支护结构，如锚网+套棚支护型式、二次锚网支护等，但由于在力学机理方面缺乏较为深入地研究，不是支护效果不尽人意，就是支护成本太高。本文探讨采用锚架组合进行支护，试图在力学机理方面对支护机理和支护效应进行了一种全新的挖掘和确定。

1 锚架组合支护机理

单纯的锚杆支护最大的问题在于锚杆锚固能力难以有效发挥。很多变形非常严重的巷道，锚杆的锚固力仅达到60～100kN，距离锚杆的极限承载力还很远，其原因主要在于巷道表面的支护强度较弱，破碎围岩在较高地压的作用下会挤出锚杆与锚杆之间的薄弱区域，同时导致托盘与围岩之间的作用力大幅下降，削弱锚杆（索）的承载效果。单纯的U型棚架支护最大的缺陷在于侧向承载力较弱，随着巷道底鼓的发生，棚腿内收导致巷道变形破坏。但U型棚支护也有其独特的优点，即表面支护强度很高，可以有效降低破碎岩块之间的相对移动，保证岩块之间较大的咬合力的存在。锚架支护的力学机理在于将U型棚架和锚杆支护的优点进行了有机结合，且在承载能力方面相互提高。锚固在围岩松动圈中的锚杆，借助于金属支架对围岩的整体约束作用所形成的破碎岩块之间的较大咬合力，锚杆的锚固效果得到大幅提高。

2 工程概况

某煤矿-500m水平81采区南翼轨道大巷全长1576 m，其上可采煤层3层，其中71煤距巷道55m左右，72煤距巷道40m左右，82煤距巷道20～40m，工作面推进方向与巷道走向相互平行。至今为止，巷道上方的左右两侧有多个工作面已经回采完毕，这些工作面推进方向均与-500m水平81采区南翼轨道大巷平行，其中与巷道之间水平距离最近的工作面相距只有25m左右，距离最远的也只有130m。由于每一工作面的推进都给该巷道一次动压影响，故巷道围岩中松动圈很大（2.6～3.0m）。另外，巷道上方左右两侧煤层开采之后，原先作用在煤层之上的竖向地应力会重新分布，重新分布的结果使得巷道所处的位置发生应力集中，而且这种应力集中随着每一工作面的推进在不断地发生变化，这种不断变化的集中应力使-500m水平81采区南翼轨道大巷始终处于一种动态的高地压作用之下下，项目实施时期的地应力数值：σ1=16.403MPa（与竖直方向夹角9.35°，与岩层夹角65.65°），σ2=7.5747MPa（与岩层走向一致），σ3=7.3357MPa（与σ1，σ2方向垂直）。

此外，-500m水平81采区南翼轨道大巷修复段完全处于泥岩之中，岩石的应力强度比很大，属相对强应力围岩。虽然巷道上方有一层2.88m厚的细砂岩，但底板下方是一层厚达14～15m的泥岩层，且底板松动圈中含有大量游离水。过厚的泥岩使得围岩蠕变难以自止，丰富的底板水造成底板岩石高度软化，较大的巷道断面引发围岩应力高度集中，应力集中系数高达3.1，一般的支护强度不足以使围岩质点的应力状态得以改善。

基于上述分析，-500m水平81采区南翼轨道大巷的破坏有松动圈方面的问题，也有围岩质点蠕变导致的问题，而底鼓方面的因素更为突出。

3 支护方案及参数

本次巷道修复中，选取破坏、底鼓严重的50m巷道（距离81采区联巷约200m）作为试验段1，采用“U型棚+注浆+双排补强锚杆”支护技术，为了检测上述方案的支护效果，另选50m作为试验段2，采用“锚网喷+U型棚套棚+注浆”。

“U型棚+注浆+双排补强锚杆+注浆”支护参数： 22mm×2400mm20MnSi左旋无纵筋螺纹钢高强预应力锚杆，锚杆托盘为10mm×150mm×150mm的钢板冷轧碟型盘，锚杆2排，间距800mm，排距1400mm；底排锚杆距底板400mm；喷射混凝土厚度100mm，喷射混凝土配合比为1∶2∶2；3节29U钢，棚距700mm；18a槽钢，长度800mm；注浆孔全断面5孔（见图1），排距2000mm，采用间隔排二次注浆，孔深2000mm；5注浆孔等间距布置，1号和5号孔孔口距底板300mm，与水平呈30°角；首次注浆压力控制在2.0MPa左右，二次注浆压力控制在3.0MPa左右，达到设计注浆压力后稳压达10min以上停止注浆，浆液水灰比0.7。锚杆与支架之间的位置关系见图2。

图1 帮顶注浆孔布置

图2 U 型棚、短梁、锚杆、混凝土喷层组合结构

“锚网喷+U型棚套棚+注浆”支护参数：锚杆规格同上，帮部锚杆2排，间排距700mm×700mm；初锚力矩200N・m；较上面方案多出1倍锚杆，金属支架参数、混凝土喷层参数、注浆等参数与上相同。

4 支护效果观测

每试验段分别取3个监测断面，每断面分别监测2个数据：两帮收敛量和顶底收敛量，每10d监测1次，每次求出3个断面收敛量的平均值，而后计算出每天的收敛速度。本次监测次数共计13次，总共历时120d，监测结果见图3，图4。

图3 巷道顶底平均移近速度曲线

图4 巷道两帮平均移动速度曲线

监测结果表明，虽然试验段1较试验段2的锚杆用量少了1倍，但效果却好很多，历经120d后，试验段1基本稳定，但试验段2却保持一定的变形速度，难以稳定下来。究其原因，试验段1中锚杆不仅发挥了较大的承载能力，而且金属支架的承载力得以较大提高，实现了“1+1”远大于“2”的效应。试验段2虽然多用了锚杆，但由于锚杆承载力没能得到较充分地发挥，金属支架的承载力也未得到提高，不仅未能实现“1+1=2”的支护效应，实际效果是“1+1

参考文献

[1]赵红超，陈勇.沿空留巷整体浇注护巷带围岩控制技术[J].煤矿开采，2011（3）.

[2]刘超儒.深部巷道围岩蠕变对支护应力场影响的定性分析[J].煤矿开采，2011（6）.