向斜构造影响范围内全煤巷道支护技术

刘文

向斜构造影响范围内全煤巷道支护技术

刘文

大同煤矿集团白洞煤业公司C5#煤层301盘区5102巷位于向斜构造影响范围内，巷道围岩破碎。为控制巷道稳定性，在“支护-围岩共同作用”原理指导下，借鉴现有锚杆支护理论，以形成“整体锚固结构”为出发点，利用实测数据和数值模拟分析结果、岩石力学理论，研究、设计了5102巷的支护方案和相应的锚固技术参数。工程实践证明，支护方案和技术参数适应5102巷施工及稳定性控制需要。

围岩；整体锚固结构；锚杆；支护

0 引言

从19世纪末期英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡起，锚杆支护方法便逐渐被广泛应用于水利、交通、矿山等工程领域，在锚杆支护技术改进和提高的同时，锚杆支护理论也不断得到发展和完善。由于具有成本低、施工方便、适应性好等优越性，锚杆支护技术受到了国内外采矿工程界的普遍重视，并得到了快速发展和广泛应用，已经逐渐成为占据主导地位的矿山巷道围岩支护形式。但是，由于锚杆支护参数在设计时需要根据巷道围岩的具体条件、与围岩条件相适应的锚杆作用原理加以确定，因此锚杆支护技术在使用时往往具有很强的针对性，不能一概而论。本文依据白洞煤业公司C5#煤层301盘区5102巷所处的围岩环境，选择先进的支护理论，对巷道支护技术参数进行了研究，有关结论会对类似巷道的支护提供借鉴。

1 5102巷道工程地质条件

白洞煤业公司地处大同市西南的口泉沟中部，井田位于大同北部煤田的东南部。该公司的5102巷位于公司井田C5#煤层内，是为满足C5#东部301盘区8102工作面的回风、管线敷设要求而开掘的，设计长度为1 656 m。巷道沿C5#煤层底板掘进。C5#煤层厚度为10.17 m～16.89 m，平均11.12 m。煤层普遍有5～10层夹石，夹石厚度一般不超过0.30 m，多为炭质泥岩。

C5#煤层老顶为砾岩，厚度为7.50 m左右，属钙质胶结，砾石直径在3 cm～10 cm范围之内。该老顶下部的局部偶有粉砂岩存在，厚度约为2.7 m；直接顶为泥岩、炭质泥岩，厚度在5.00 m左右；直接底为粉砂岩、砂质泥岩，厚度在1.72 m左右。

C5#煤层301盘区的东部靠近矿界处发育有一向斜构造，轴向近于南北向，5102巷位于该向斜构造的东翼，处于构造影响带内。

研究结果表明[1]，由于5102巷道开掘于上述向斜构造影响区域，巷道围岩破碎，裂隙发育，具有剪切滑动面，极易冒落，按照国际常用的工程岩体RMR分类方案进行围岩分类时，该巷道围岩介于Ⅳ级岩体和Ⅴ级岩体之间，属于“差”和“极差”之间的过渡级别。

2 巷道支护参数设计

2.1 巷道围岩加固原理分析

在对白洞煤业公司C5#煤层5102巷道稳定性进行维护时，应遵循“支护-围岩共同作用原理”，充分利用和发挥围岩的自承能力，以便降低支护成本，获得最佳支护效果。从目前国内外工程实践情况看，选择锚杆加固巷道围岩是最合理的选择。一般情况下，锚杆支护参数的设计可以在锚杆的悬吊、组合梁、组合拱等理论指导下进行，但是对全煤巷道锚杆支护的相似模拟研究成果表明[2]，锚杆布置方式不同，围岩的加固效果也会有所不同，锚杆加固后以在围岩中形成整体锚固结构为宜，其中以形成整体拱形锚固结构（见图1b）为最佳，形成整体普通锚固结构（见图1a）次之。整体锚固结构强调了巷道顶板与两帮在锚杆加固作用下的整体性，对采区巷道的大变形具有很好的适用性。从理论上看[3]，整体锚固结构的形成依赖预应力锚杆施加在围岩上的预紧力，而锚杆的预应力也在工程实践中越来越受到重视[4]。目前，普通整体锚固结构已经在理论研究上进行了系统研究，所得结论已经用于指导工程设计，而整体拱形锚固结构的理论分析研究有待实质性突破。

图1 整体锚固机构的两种形式

从支护原理上看，白洞煤业公司C5#煤层5102巷道在支护方案制定以及相应支护参数设计时应以“采用预应力锚杆，在围岩中形成整体锚固结构”为基本出发点。

2.2 支护参数设计

按照整体拱形锚固结构对围岩进行锚杆加固，一方面要求不同安装位置的锚杆的长度和安装方向是不同的，这会给备料以及施工带来麻烦；另一方面，相关理论的研究还没有达到指导实际工程设计的地步。而普通整体锚固结构的顶板锚杆、帮锚杆可以分别保持长度一致，仅在巷道顶、底角部对安装方向有特殊要求，所以在工程上更容易实现，在满足工程需要的前提下，可按照形成“整体普通锚固结构”的理念进行支护设计，锚杆锚固方式为全长锚固。落拱高

式中：B——巷道跨度；

H——巷道高度；

φ——两帮煤层的内摩擦角；

f——煤层的普氏系数。

两帮最大破坏深度

5102巷设计跨度为4.2 m，设计高度为3.3 m，C5#煤层的内摩擦角为32.87°，普氏系数为1.8，由式 (1)、式（2） 计算得到的顶板冒落拱高为2.16 m，两帮最大破坏深度为1.8 m。

综合上述分析并考虑锚固长度和外露长度，顶锚杆长度设计为2.4 m，帮锚杆长度为2.2 m。

2.2.2 锚杆的间排距

研究表明，锚杆长度相同时，不同直径锚杆的布置间排距与巷道承载能力增量的关系呈反变关系（见图2）。为增加整体锚固结构的承载能力，尽可能减

图2 锚杆长度相同时间排距与承载增量的关系

2.2.1 锚杆长度

现场对5102巷道围岩的开挖松动范围实测结果表明，两帮围岩的松动厚度为1.2 m～1.5 m，顶板围岩的松动厚度为1.4 m～1.8 m，因此帮锚杆的有效长度应在1.5 m以上，顶锚杆的有效长度应在1.8 m以上。

根据普氏地压理论[5]，两帮松软的煤巷其顶板冒小锚杆布置的间排距是很有必要的。综合考虑支护效果与成本以及施工经验，锚杆间距选择为0.8 m,排距选择为1.0 m。

2.2.3 锚杆的直径、预紧力与材质

目前，工程上应用的巷道锚杆其杆体直径已经规格化、系列化，尺寸为16 mm、18 mm、20mm、22 mm、24 mm。从支护效果上看，锚杆直径的变化对巷道围岩变形的控制影响明显，锚杆直径越大，对围岩变形的控制能力越大。对于5102巷道，由于要加固围岩以形成整体锚固结构，所以应优先选用大直径锚杆。综合考虑成本及加固效果，顶板和两帮锚杆的直径统一选择为22 mm。

按照整体普通锚固结构理论的研究结论，顶板垂直安装的锚杆以及两帮水平安装的锚杆预紧力P按照下式确定：

巷道顶、底角偏转α0角度安装的锚杆预紧力Pj按照下式确定:

式中：q——巷道地压集度；

b——巷道跨度；

c，φ——分别为围岩的内聚力和内摩擦角；

μ——围岩的泊松比；

L2——锚杆有效长度（顶、底板锚杆有效长度

不一致时取其中较大值）；

k0——围岩节理二维裂隙度系数；

a——锚杆间距。

根据白洞煤业公司情况取：q≈2.675 MPa，b=4.2 m，c=7.57 MPa，φ=32.87°，μ=0.32，L2=2.16 m，k0=0.457 ，a=0.8 m，α0=20°。

计算结果为：P=56.65 kN，Pj=60.29 kN。

数值模拟分析结果表明，5102巷围岩形成整体普通锚固结构所需要的单根锚杆预紧力在100 kN左右，按照锚杆的大工作阻力原则要求，锚杆预紧力确定为100 kN。

显然，对于直径为22 mm的锚杆，当预紧力为100 kN左右时，锚杆所受拉应力不低于263.2 MPa，考虑必要的安全储备（安全系数不低于1.2），锚杆的屈服强度应不低于315.8 MPa，因此锚杆材质选用Ⅱ级20MnSi左旋无纵筋螺纹钢。

2.2.4 锚杆安装孔直径与锚固剂

工程实践表明，锚杆安装孔直径与锚杆直径之差为6 mm～10 mm时，锚杆的锚固效果良好，树脂药卷的直径一般应比钻孔直径小3 mm～6 mm。综合考虑上述结论和生产单位具体条件，确定锚杆安装孔直径为28 mm，树脂锚固剂直径为23 mm。

以锚杆长度的90%作为锚固长度，则顶锚杆全长锚固时单孔需要树脂锚固剂1.2 m，帮锚杆全长锚固时单孔需要药卷1.1 m。所用锚固剂为MSK和MSZ两种型号。顶板每根锚杆用MSK23-600及MSZ23-600树脂锚固剂各一卷，帮上每根锚杆用MSK23-600及MSZ23-500树脂锚固剂各一卷。

2.3 其他辅助措施

为保证巷道的安全性，5102巷道除进行锚杆加固外，还需要用锚索补强，以防止顶板发生大面积整体垮落。按照悬吊理论，确定锚索技术参数为：直径17.8 mm，长度8.3 m，间距1 m，每断面安装3根，排距2.1 m；锚固段长度0.6 m，需要直径23 mm的快速树脂药卷0.63 m；锚索预紧力与锚杆的匹配不低于100 kN。

为防止围岩局部冒落，顶锚杆安装时加挂复合钢塑网并辅以W钢带，帮锚杆安装时加挂塑料网并辅以W钢带。

3 工程实践

图3 锚杆布置断面

图4 顶板锚杆锚索布置

图5 帮锚杆布置

按照研究确定的上述支护参数，白洞煤业公司组织了5102巷的掘进施工。实际的支护断面布置见图3，第11页图4、图5。施工中每60 m为一个检测单元，用锚杆检测设备随机检测3根～6根锚杆的安装质量，确保锚固力达到设计要求。同时，在巷道设置矿压观测站，用多点位移计观测巷道围岩位移情况，用顶板离层仪监测顶板离层情况。工程实践表明，5102巷一直处于稳定状态。

4 结论

①以形成“整体锚固结构”为出发点选择的巷道支护方案对破碎围岩具有很好的适用性；②锚杆的预紧力在形成“整体锚固结构”时起到了至关重要的作用；③以实测数据为基础，结合数值模拟分析、理论计算确定的白洞煤业公司5102巷锚杆技术参数符合巷道稳定性控制要求。

[1]大同煤矿集团有限责任公司，太原理工大学.大同矿区石炭系地质构造挤压带倾斜煤层巷道支护技术研究 [R].大同：大同煤矿集团有限责任公司，2010：5-10.

[2]张百胜，杨双锁，康立勋.全煤回采巷道整体拱形锚固结构模拟研究 [J].山西煤炭，2001，21（1）：19-21.

[3]翟英达.锚杆预紧力在巷道围岩中的力学效应研究 [J].煤炭学报，2008，33（8）：856-859.

[4]陈东印，连传杰，于军.预应力锚杆在煤矿中的应用前景 [J].山东煤炭，2005（2）：60-62.

[5]李世平，吴振业，贺永年.岩石力学简明教程 [M].北京：煤炭工业出版社，1996：137～141.

Coal Roadway Support Technology in the Area Affected by Synclinal Structure

Liu Wen

In the areas affected by synclinal structure in 5102 roadway of No.301 panel in C5#coal seam of Baidong Coal Company of Datong coal group,the rocks surrounding the roadway are broken.For controlling the roadway steady and guided by the principle of“support and surrounding rock concurring”,this paper lessons from the current bolting support theory,puts “complete anchorage structure”as the starting point,uses the actual observation data,numerical analysis results and theory of rock mechanics,studies and designs the support scheme and the corresponding anchorage technology parameters of 5012 roadway.Engineering practices shows that the project and all bolting parameters are suitable for the need of the construction of 5102 roadway of Baidong Coal Company and steady controlling.

surrounding rocks;integral anchor structure;anchor;supporting

TD353

A

1000-4866（2012）01-0008-04

刘文，男，1964年出生，现在大同煤矿集团公司技术中心工作，高级工程师。

2011-11-03

2011-11-24