全长锚固技术在准备巷道中的应用

邵德盛，查德求，赵 磊，王 威，王福海，陈 康，王庆牛

（1．安徽省煤炭科学研究院，安徽 合肥230001；2．淮浙煤电有限责任公司 顾北煤矿，安徽 淮南232150）

传统的锚杆支护只是锚杆的内端面与岩石结合，而全长锚固锚杆支护则是钻孔被杆体和树脂药卷充填密实，锚杆与岩体完全结合，使围岩和锚杆形成整体，可以抑制围岩离层和层间错动，共同抗剪切作用，在围岩变形过程中，全锚锚杆刚度大，增阻快，可提高锚杆的使用寿命[1-8]。李冲等人[9]研究了全长锚固预应力锚杆杆体受力特征，锚杆轴力随预应力增大而增加，轴应力先增加后减少；林健等人[10]对全长锚固锚杆外形与锚杆锚固性能之间全系进行研究，提出锚杆外形相关参数的合理性；郑选荣[11]通过模拟推导了预应力作用下全长锚固预应力锚杆形成的锚固区内的应力分布规律，提出锚杆最小和最大预应力并推导计算公式；贾继田[12]研究在深部岩巷掘进中采用水泥锚固剂实现全长锚固，并取得工业性试验成功；张五一[13]研究在采煤工作面回采巷道采用全长锚固技术，解决了回采巷道快速掘进及支护技术问题。以上文献对全长锚固锚杆受力特征、锚固性能、应力分布规律、水泥药卷及回采巷道全长锚固等方面进行了系统研究，但目前在准备巷道采用树脂药卷进行全长锚固研究的较少。采用树脂药卷实现全长锚固比用水泥浆或者化学注浆，易操作，工人工作环境好[14-16]。顾北矿南一1#煤煤层回风巷作为采区准备巷道，服务年限至少15 年，需要找到1 种可以解决复合顶板准备巷道的支护技术问题的方法。为此在顾北矿南一1#煤采区煤层回风巷开展全长锚固锚杆支护技术研究工作，解决在复合顶板条件下煤巷支护难题，为顾北矿A 组煤安全高效开采提供技术支撑。

1 地质概况

淮南矿区A 组煤主采A1和A3，A1煤层煤厚最大值7.77 m，平均3.78 m；A3煤层煤厚最大值为9.17 m，平均5.07 m。A1和A3煤层层间距最小为1 m，可合并开采。A 组煤煤质好，大部分矿井A 组煤开采深度已经超过-1 000 m，围岩应力较大，A 组煤底板富含奥灰水，时有工作面突水淋水现象，对矿井支护安全带来很大的挑战。

南一采区1#煤煤层回风巷位于-648 m 水平，为南一采区1#煤系统巷道，西面为南一1#煤采区底板放水巷；东面为底板带式输送机巷；北端为-600 m 南翼1#煤运输大巷。巷道总长1 639 m，地面标高+18.2～+22.7 m，巷道标高-633.7～-580.9 m。地面位置在顾桥镇后纸坊自然村和港河对岸的钱庙乡张楼自然村之间，对应地面为港河和滩地。

A1煤层主要成分为暗煤和亮煤，黑色，暗淡和油脂光泽，镜煤含量较少。A1煤层含有多层夹矸，形状为粉状和块状，含少量扁片状，普氏硬度f 为0.87，密度为1.35 t/m3；煤层属于近水平煤层，角度最大值9°，最小值3°。煤层中局部有夹矸层，夹矸成分为泥岩，最厚为0.6 m。A1煤层厚度为3.51～9.23 m，平均厚度为9.3 m，煤层厚度总体较稳定，但拨门口受断层影响，厚度仅有3.5 m。

顶底板特征：砂质泥岩最大厚度为3.53 m，平均厚度1.65 m，沿工作面方面从北到南缓慢变薄，直至缺失；基本顶为细砂岩，较硬，中间夹杂着砂质泥岩，裂隙局部含水，平均厚度为12.8 m，从北到南基本顶慢慢变厚，在基本顶的上面为砂质泥岩，最大厚度为15.32 m。煤层顶板为砂质泥岩，最大厚度为9.5 m，平均厚度为7.3 m，厚度不固定，时有缺失；基本底为粉砂岩，最大厚度为10.15 m，局部有裂隙；基本底下面为灰岩，最大厚度为3.85 m。

2 全长锚固技术方案

根据南翼1#煤煤层回风巷的地质条件和围岩应力情况分析，按照安全经济技术一体化的总体原则，顶板锚杆配合新型树脂药卷实现全长锚固，顶板锚索则采用加长锚固方式，提高锚杆锚索的握裹力。通过帮部预应力锚索强化、全断面喷浆封闭等联合支护方法，控制巷道围岩变形，实现巷道有效维护，其全锚技术方案如图1～图2。

图2 南翼1#煤层回风巷帮部支护图

1）巷道顶板支护采用7 根φ22 mm×2 500 mm锚杆配合长5 400 mm 钢带以及6 500 mm×1 000 mm的10#菱形金属网组合支护，顶板锚杆间排距850 mm×900 mm，锚杆孔径φ32 mm，顶板锚杆要求全长锚固，使用2 卷中速配合1 卷快速树脂药卷，锚杆预紧力要求大于180 N·m，锚杆锚固力要求大于120 kN。

2）顶板锚索配合3 900 mm 长14#槽钢组合方式，提高锚索承载的整体性，锚索不会因为单个承载力过大而导致破断。每根14#槽钢梁上布置4 根锚索，槽钢中间2 根锚索规格为φ21.8 mm×7 200 mm，槽钢两侧2 根锚索规格为φ21.8 mm×6 200 mm。长短锚索配合布置，可以避免锚索在同一层位应力过大发生破断，提高锚索的安全性。锚索的预紧力设计要求大于120 kN，锚固力则要求大于350 kN。

3）巷帮支护采用2 900 mm 长的M5 钢带和1 100 mm 长的M5 钢带组合方式，2 900 mm 长M5 钢带竖直，每根钢带上布置4 个锚杆，1 100 mm 长M5 钢带水平布置，每根钢带上布置2 个锚杆。巷帮锚杆规格：φ22 mm×2 500 mm，锚杆间排距860（600）mm×900 mm, 锚杆孔径φ32 mm，帮部最上面1 根锚杆设计要求同顶板锚杆一样全长锚固，其他帮部锚杆则采用2 卷树脂锚固剂加长锚固。锚杆预紧力要求大于180 N·m，锚杆锚固力要求大于120 kN。为便于施工，帮部最上面和最下面2 个根锚杆可带15°斜角施工。

4）帮部锚索布置在距离底板1 500 mm 处，两帮各施工1 排，2 900 mm 长14#槽钢上布置3 根锚索，锚索规格为φ21.8 mm×4 200 mm，锚索钻孔直径φ32 mm，锚索的预紧力设计要求大于120 kN，锚固力则要求大于350 kN。

5）喷浆封闭。由于1#煤煤层回风巷为采区准备巷道，服务时间长，为防止围岩风化，锚索网支护施工完毕后，必须要及时进行喷注浆。喷浆材料可选用具有早强、速凝特性的矿用无机速凝喷射复合砂浆，喷层厚50～60 mm，或者采用矿渣硅酸盐水泥砂浆喷浆，喷层厚度不得小于100 mm。

3 技术方案数值模拟

3.1 数值模型

根据顾北矿A 组煤煤层回风巷地质情况，数值模型长110 m，高100 m。模型上边界根据上覆岩层的厚度计算出应力大小，按照应力大小加载均布力，模型左右和下边界为约束位移边界，施加垂直应力14 MPa，材料破坏遵循Mohr-Coulomb 强度准则。模拟巷道为顾北1#煤层回风巷，各模拟方案支护参数如下。

1）工况1。巷道断面：宽5 800 mmm×高3 800 mm，顶板锚索配合3 900 mm 长14#槽钢组合方式，每根14#槽钢梁上布置4 根锚索，槽钢中间2 根锚索规格为φ21.8 mm×7 200 mm，槽钢两侧2 根锚索规格为φ21.8 mm×6 200 mm。巷道顶板支护采用7根φ22 mm×2 500 mm 锚杆配合长5 400 mm 钢带以及6 500 mm×1 000 mm 的10#菱形金属网组合支护；巷帮支护采用2 900 mm 长的M5 钢带和1 100 mm 长的M5 钢带组合方式，2 900 mm 长M5 钢带竖直，每根钢带上布置4 个锚杆，1 100 mm 长M5 钢带水平布置，每根钢带上布置2 个锚杆。

2）工况2。在工况1 基础上，将帮部由下向上第3 根锚杆隔排由点锚索替代；其它参数同工况1。

3.2 数值模拟计算结果

1#煤回风巷在2 种工况下顶板表面位移、底板表面位移以及两帮位移情况见表1。2 种工况下巷道垂直应力分布图和巷道塑性区如图3～图6。

图3 工况1 巷道垂直应力云图

图4 工况2 巷道垂直应力云图

图5 工况1 巷道围岩塑性区分布

图6 工况2 巷道围岩塑性区分布

表1 各工况巷道围岩表面最大位移量一览表工况

由顶底板位移、两帮位移、垂直应力云图以及2 种工况的塑性区分布图可以看出，巷道开挖后，原岩应力平衡被破坏，巷道周边应力降低，形成应力降低区，在巷道两帮一定位置形成新的应力集中区。近水平煤层条件下，两帮垂直应力数值上基本相同，表明巷道周边围岩应力主要由岩性与围岩大结构决定[17-20]。数值模拟数据可以看出，2 种锚杆支护参数都可以满足巷道支护要求，但1#煤回风巷为整个1 煤采区通风服务，服务年限为15～20 年，因此要求在帮部距离底板1 500 mm 处，两帮各施工1排锚索，巷道施工贯通后，要求全断面喷浆封闭，避免锚杆锚索出现锈断现象。

4 工业性试验

1#煤煤层回风巷2018 年5 月巷道开始掘进，2019 年4 月巷道安全贯通，共计施工12 个月。巷道设计总长度为1 639 m。共布置矿压观测站20 组，其中离层仪和位移观测站16 个，锚杆锚索载荷观测站4 个。在12 个月的矿压观测中，顶底板位移量最大值为140 mm，两帮位移量为80 mm。巷道大部分宽度在5 700 mm，不需要进行任何巷修工作，工业性试验取得成功。

顶板离层：离层观测站每隔100 m 布置1 组，1组观测站包括浅部基点和深部基点，浅部基点深为2 500 mm，布置在锚杆离层层位，深部基点深为7 000 mm，布置锚索离层层位。离层观测站根据地质情况适当加密观测。顶板下沉、底鼓及两帮位移观测站：位移观测站布置同离层观测站，在同一位置。顶底板位移观测，顶板基点可用钢带备用孔，用喷漆做好标记，底板则需要用1 m 长废铅杆锚入底板中作为底板基点，用卷尺测量钢带备用孔到腰线的垂直距离为顶板下沉值，腰线到底杆的垂直距离为底板隆起值；两帮位移值同样在帮部用喷漆在帮部选好基点，左帮基点到中线的距离为左帮位移值，右帮基点到中线的距离为右帮位移值。锚杆锚索载荷观测站共布置4 组，第1 组巷道施工50 m左右，其他3 个测站距离第1 测站分别为300、600、900 m。

南翼1#煤层回风巷3#测点位移曲线如图7。由3#测站表面位移曲线可知，巷道围岩变形主要发生在巷道开挖后的30 d 里，原岩应力释放，寻求新的应力平衡，巷道开挖120 d 后，应力重新平衡，巷道变形稳定，试验段前120 d 的顶板下沉值为34 mm、底鼓值为92 mm 以及两帮位移值为76 mm。在12 个月的观测时间内，顶底板位移值为140 mm，两帮位移值为80 mm。围岩变形较小，巷道支护状况良好。

图7 南翼1#煤层回风巷3#测点位移曲线

5 结 论

1）试验巷道采用理论分析、相似模拟、数值模拟及现场监测等“四位一体”的研究手段确定顾北矿A组煤准备巷道合理锚杆支护参数，系统研究了复合顶板条件下巷道安全掘进与全长锚固支护技术，顶板高强锚杆采用树脂药卷实现全长锚固，顶板锚索加长锚固，通过帮部预应力锚索强化、全断面喷浆封闭等联合支护方法，控制巷道围岩变形，实现巷道有效维护。

2）整个巷道采用全长锚固锚杆支护。在12 个月的矿压观测中，顶底板位移量最大值为140 mm，两帮位移量为80 mm。巷道大部分宽度在5.7 m，不需要进行任何巷修工作，工业性试验取得成功。