采煤掘进作业下高强度锚索支护技术的应用研究

郭志强

（山西宏厦第一建设有限公司， 山西 阳泉 045000）

引言

使用锚索对巷道进行支护时，锚索的可支撑能力高，对巷道进行支护时的深度较大，而且可以施加较强的预应力，其支护效果比较好，该支护技术在实际应用中非常广泛，特别是对一些大型的井下硐室、易发生破碎的巷道、以及受围岩应力影响较大的巷道通常会采用此种支护方式，且支护的效果往往能达到预期。本文所研究的矿区早在21世纪以前就开始大力推行锚杆支护技术，并在该矿区内的煤矿中得到了成功的应用。但是近年来，煤矿开采的深度越来越大，地质条件越来越复杂，这使得煤矿巷道的支护越来越困难，多个煤矿出现了围岩变形程度大、支护困难等问题，因此该矿区对支护技术进行了改进，将煤矿巷道顶板的锚杆换成了锚索，支护效果也得到了明显的改善，但是在实际生产时仍然存在一些问题，比如巷道两帮的变形程度依然比较大，且锚索的直径较小，不能满足预应力以及强度的要求等[1]。

1 矿井概况

在该矿区内所进行研究的采煤工作面是沿着煤层底板进行开掘的，其埋藏深度为550 m，工作面的断面形状为矩形，其高度为7.8 m，宽度为3.2 m，同时所开采煤层的平均厚度为5.35 m，煤层为缓倾斜煤层，工作面的直接顶和伪顶均由泥岩组成，直接顶中还含有少量的细砂岩。在对该矿井进行开采时，由于该矿的埋藏深度大，在井田内存在较多复杂的地质构造，比如断层、褶曲、陷落柱等。在相邻煤层进行开切眼的过程中，围岩松软，易破碎，造成较大的变形，在切眼内部必须安设三排支柱才能控制顶板的下沉，这对工作面的正常开采造成了极大的影响。

2 高强度锚索支护方案设计步骤

2.1 数值模型的建立

根据矿井的地质条件以及开切眼的围岩应力条件，应用FLAC3D数值计算软件建立了以下的数值模型，如图1所示。在该模型中，为了清楚的反映锚杆与锚索所产生的应力场的情况，需要在应力场以及巷道两帮锚杆支护参数一定的情况下，对不同锚索的预应力、长度以及锚固角度等的应力场分布进行模拟[2]。

图1 三维模型网格图

2.2 数值模拟结果与分析

下页中图2—图4是不同情况下的锚索应力场分布情况。根据模拟结果可知，下页图2显示的是100 kN、200 kN、300 kN预应力情况下的围岩应力场分布，从图中可以看出，当锚索的预应力越来越大时，围岩内部所产生的压应力也会越来越大，与此同时扩散的效果越来越清晰。下页图3显示的是不同锚索长度下的围岩应力场分布情况，从图中可以看出，当锚索的直径与预应力相同时，锚索的长度越短，所形成的应力场越为理想。但是根据矿井的实际情况来说，当锚索的长度为8 m时，锚索的锚固效果最好。下页图4显示的是不同布置角度下围岩的应力场分布情况，可以看出，当锚索与顶板垂直时，所形成的压应力的效果最明显；而当布置角度增大时，应力叠加的效果反而变差。

2.3 支护方案的确定

图2 不同锚索预应力情况下所产生的应力场

图3 不同长度的锚索所产生的应力场

图4 不同布置角度下锚索所产生的应力场

由先前已有的经验以及数值模拟的结果可知，在进行该矿井的支护设计时，选择的是锚索与锚杆联合支护的方式，其锚杆选择的是树脂加长型强力锚杆。煤层的顶板以及巷道两侧选择的是螺纹钢筋，其型号为BHRB600，钢筋直径为22 mm，长度为2.4 m。而在进行护帮以及护顶设计时，采用的是钢带和金属网，钢带的厚度为4 mm。巷道不同位置处的锚杆间距不同，顶板处的锚杆相隔0.9 m布置，而采空区两侧的锚杆相隔0.85 m布置。煤层顶板的锚索选择的是1×19结构，直径为22mm，长度为8.3m，锚索的预应力为200～250 kN。开切眼内侧则采用直径为20 mm的玻璃钢锚杆，锚杆的长度为2 m。在进行锚杆布置时，每排锚杆之间的距离为1 m，同时每排布置3根锚杆，间隔1 m[3-4]。

3 高强度锚索支护施工工艺

3.1 顶板锚杆施工工艺

在进行顶板锚杆支护作业时，应从中部向两侧施工，每掘进一个排距时，安装一排锚杆，尽可能使顶板锚杆与两帮锚杆平行作业。

1）根据矿井要求设计对巷道断面进行施工，然后在巷道内铺设顶网以及钢带。

2）使用单体锚杆钻机，在巷道顶板处打孔，孔深为锚杆的锚固长度，向孔内放置树脂药卷，然后用锚杆将其送入孔底。

3）用连接器把钻机与锚杆连接起来，使钻机开始搅拌并不断向前推进大约20～30 s后，停止钻机，等树脂药卷固化后，继续启动钻机，拧紧螺母。

3.2 巷道两帮锚杆施工工艺

1）首先对巷道两帮的煤壁进行清理，使巷道的断面积达到设计要求，然后确定锚杆的孔位置。

2）在进行锚杆施工时，先布置上部锚杆，使用电钻对巷道的上部帮进行打孔，孔深为锚杆的锚固长度，进而装入树脂药卷，然后用锚杆将其送入孔底。放好树脂药卷后，在电钻上安装搅拌头，启动电钻，将锚杆的顶部送入孔底，持续时间为20～30 s。

3）最后铺设护帮网，上紧螺母。

3.3 锚索施工工艺

1）按照施工要求，将钢绞线截取成设计的长度，保持钢绞线上无铁锈和污泥，并在锚固的一端安装毛刺和档圈。

2）使用单体锚杆钻机进行打孔至设计深度，但要注意在打孔过程中，应尽量保持钻机不动，以免钻孔方向不与巷道垂直，增加锚索安装的难度。

3）打孔完成后，在孔内放入树脂药卷，使用钢绞线将药卷送入孔底，然后启动钻机，知道将药卷送入孔底[5]。

4）待树脂锚固剂固化后，安装托梁、托盘、锁具等，锁紧后，在锚索上挂张拉千斤顶，对锚索的预应力进行测试，重复千斤顶的张拉工作，直到锚索达到设计预应力。卸下千斤顶，锚索安装完成。

4 高强度锚索支护效果分析

在支护作业和施工结束后，对开切眼周围的围岩位移量以及受力情况进行了监测监控，图5显示了大断面工作面开切眼附近的围岩位移情况。从图中可以看出，巷道两帮的围岩变形程度不大，位移量较小。具体的围岩位移情况如表1所示。

图5 大断面工作面开切眼附近的围岩位移曲线

表1 围岩位移情况

对于锚杆预应力来说，在支护结束时，顶板锚杆的预应力为73 kN，而随着开采工作的进行，锚杆所受到的压力不断增大，直到上升到90 kN后就不再发生变化。但是在进行二次采掘时，锚杆的受力就会发生变化，此时锚杆所受到的预应力会迅速增加到140 kN后又保持稳定。因此当锚杆的预应力为80～100 kN时是比较合理的，满足支护的要求。

锚索预应力的最大值为420 kN，虽然随着采掘工作的进行，锚索的预应力还会有所增加，但是增加的幅度比较小，此时锚索可以起到很好的支护作用，巷道的变形程度也比较小。因此，当锚索的预应力较高、锚索强度较大时，支护作用更好[6]。

5 结论

1）高强度的锚索支护的支护作用不仅仅是由于悬吊形成的，更多的是与锚索产生的预应力有关，当锚索与锚杆共同作用时，会形成一个稳定的应力场，有效地控制了围岩及巷道的变形，使围岩和巷道可以保持良好的稳定性。通过实践表明：当锚索的直径为18～22 mm时，锚索的长度越大，预应力就越大，而在预应力较高的情况下，锚索的长度较短时支护的作用更好，因此锚索的长度一般选择在4～6m。

2）锚索的布置以及支护密度应该在考虑锚索预应力、长度、强度以及直径的基础上进行设计。

3）在高预应力以及高强度的情况下，大断面工作面附近的巷道受围岩应力的影响较小，可以很好地对围岩的变形进行控制，保证支护的效果以及采掘作业的安全性。