软弱围岩巷道锚杆扩孔锚固技术研究与应用

李朝

【摘 要】 文章针对洪崖煤业3#煤层回采巷道在掘进期间矿压显现强烈的现状，以及围岩自身性质松软的特性，综合现场原位探测、支护体拉拔检测等方式对围岩赋存特征及锚固体锚固性能进行了分析，提出扩孔锚固优化支护技术，并经数值模拟及工业试验进行了深入研究。结果表明：围岩性质松软及锚固体锚固力不足是巷道发生失稳的最根本原因;通过锚固体孔底楔形扩孔锚固的方式可有效提高锚杆锚固力，更好地发挥其主动支护围岩的作用。

【关键词】 矿压显现;原位探测;扩孔锚固;主动支护

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）01-0022-03

本文以洪崖煤业3#煤层回采巷道为研究对象，综合现场原位探测、数值模拟的方法针对性地提出了锚固孔孔底扩孔锚固的优化支护技术;并经井下试验应用得知，此技术有效改善了实际巷道软弱围岩的控制难题，同时对其他类似条件巷道的支护优化提供了一定的指导。

1工程概况

洪崖煤业81212综采工作面主采3#煤层。3#煤层顶底板均为强度较低的不稳定泥岩层，其赋存特征如表1所示。

81212回采巷沿3#煤层底板掘进，巷道断面为矩形，巷道掘进宽度3.8m，掘进高度2.4m，净宽度3.7m，净高度2.3m，支护方式为锚网索联合支护。支护布置如图1所示，顶锚杆采用φ22×2200mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每排5根，间排距900×1000mm，靠帮的角锚杆与顶板呈不小于75°夹角;帮锚杆采用φ22×2000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每排3根，间排距800×1000mm，距顶300mm;顶锚索采用φ17.8×4600mm钢绞线锚索，在巷中布置，排距3000mm;顶网采用φ4mm钢筋网，尺寸1.2m×2.4m，帮网采用10#金属菱形网，金属网尺寸1.0×10m。

2巷道支护现状分析

洪崖煤业81212回采巷道在掘进过程中矿压显现较为强烈，顶板破碎变形严重、局部下沉明显并伴有小范围冒顶现象，且据顶板位移监测设备显示其顶板浅部有明显数值的离层发生。因此，针对该巷道变形破坏严重及其支护不足的特征，需对围岩赋存情况及其支护体特性做出进一步研究。

2.1围岩赋存特征探测

巷道围岩属性是决定其稳定的最根本原因，据3#煤层及其顶底板赋存条件可知，3#煤层自身厚度不匀且易崩解，其直接顶为强度较低、赋存较不稳定的泥岩层;为能更清楚地探明顶板结构特征，于81212回采巷选取顶板较破碎处进行多组窥视研究，本次探测采用TYJD10型矿用岩层探测仪。

如图2所示为某钻孔窥视成像结果，由此可见，81212回采巷道顶板0～2m范围内整体较为破碎、结构松散，并伴有局部较严重的裂隙发育现象，巷道浅部顶板煤岩层整体稳定性较差。

2.2锚杆锚固性能测试

结合上述窥视结果分析，81212回采巷道顶板结构破碎复杂，尤其体现在顶板浅部不稳定煤层与泥岩层范围内，而该范围恰是巷道支护结构中锚杆锚固区范围，因此有必要对该处围岩的可锚性进行深入研究，以了解巷道支护体的锚固性能，从而解决巷道支护不足、顶板不稳定的问题。

在81212回采巷选取试验点进行顶板锚杆锚固性能试验，本次试验采用φ22×2200mm螺纹钢锚杆，并分别配合以不同组合的锚固剂进行现场拉拔试验，抽取两组试验结果如表2所示。

可见，当仅使用一支锚固剂时锚杆平均锚固力仅为19.62kN，当使用两支锚固剂时锚杆锚固力显著提升，但对于实际顶板控制效果仍不佳;就此试验结果表明实际条件下，顶板浅部锚杆锚固力普遍偏低、锚固性能较差。

3锚杆扩孔锚固技术研究

在巷道支护过程中，除围岩自身属性决定其稳定性程度外，支护结构的支护性能是决定巷道稳定的关键因素，而在软弱围岩条件下，围岩锚固力强度主要取决于锚固体自身与围岩的接触作用情况。因此，针对81212回采巷围岩赋存结构复杂、巷道顶板煤岩层松软破碎，以及巷道支护体锚固力弱的特点，结合土建基础施工过程中桩基扩底强化技术的原理，针对性地提出扩孔锚固支护技术，即通过对锚固体端部扩孔加强锚固剂与围岩接触的方式来增加锚固剂-孔壁间黏结力，从而达到提高锚固体-围岩间作用力的目的。

3.1 ANSYS数值模型建立

为确定合理的扩孔方式，借助ANSYS數值模拟软件分别对不同扩孔形状的锚固体进行模拟分析，并通过比较不同形态下锚固体的应力分布规律及锚固体位移情况来得出最佳方案。本次模拟中对于围岩与锚固剂均采用Drucker-Prager模型，该准则下屈服面不受材料屈服的影响，模型中锚固体外表面上全部节点所有方向自由度均约束为0，围岩体与锚固剂参数如下表3所示。

如图3所示，分别以普通端锚（锚固段钻孔直径20mm）、端部圆形扩孔（锚固段钻孔直径40mm）、端部楔形扩孔（锚固段底边长40mm/28mm）三种不同的锚杆锚固方式进行试验，其中，本次计算中模拟锚杆尺寸为φ22×2200mm，锚杆锚固段长度为500mm，锚杆自由段钻孔直径为28mm，同时于试验锚杆端部统一施加50kN载荷作为模拟拉拔条件。

3.2 锚固体应力分布分析

如图4所示为不同锚固方案下锚固体应力分布云图，可见，锚固体由锚固段至自由段整体受力均体现为逐渐增加趋势，但不同扩孔形式锚固条件下锚固体的拉应力峰值有所不同。其中，在同等模拟环境下，锚杆普通端锚时其最大拉应力值为122.0MPa;锚杆端部采用圆形扩孔锚固时其最大拉应力值为196.8MPa，较普通端锚时提升约61.3%;锚杆端部采用楔形扩孔锚固时其最大拉应力值为303.2MPa，较普通端锚时提升约148.5%，较端部圆形扩孔锚固时提升约54.1%。该试验结果表明，通过对锚杆孔底扩孔增加锚固剂-围岩接触作用的方式可有效提高支护体锚固力;同时可知，采用端部楔形扩孔的方式能够更好地发挥锚固体主动支护围岩的作用。

3.3锚固体位移变化分析

如图5所示为不同锚固方案下试验锚固体位移云图，可见，由于钻孔底部扩孔的原因，锚杆与围岩间自然空间增加，当锚杆端部采用圆形扩孔与楔形扩孔锚固时，锚固体整体位移量较普通端锚时有所增加。其中，底部扩孔形状为圆形及楔形形状时，锚杆体中心位移量分别约为0.7mm、1.5mm，此时楔形扩孔模型中锚杆体虽有明显位移变化，但其位移变化值较小且锚固系统并未破坏，因此在楔形扩孔条件下锚固体极限拉拔载荷仍有可提升空间。

4工程应用

在巷道顶板正常掘进揭出后对顶板进行扩孔试验，即通过现场扩孔锚固并对锚固完成的锚杆再次拉拔检测其锚固力的方式，来验证所提出的扩孔锚固技术的合理性与有效性。

如图6所示，考虑到实际锚固及扩孔操作条件，以及上文研究结果中楔形扩孔的明显支护优势，本次试验中锚杆钻孔底部楔形孔状尺寸为长度500mm、上底40mm、下底28mm，其中拉拔试验锚杆为φ22×2200mm螺纹钢锚杆配合K2350+Z2350锚固剂锚固。

如表4所示，抽取3组正常锚固状态下的试验锚杆分别进行现场拉拔检测，可见，所测3组锚杆的锚固力无较大偏差，试验锚杆平均锚固力为74.16kN，较原先普通锚固条件下的锚杆锚固力提升约91.6%。此试验研究结果表明，在同等支护条件下，通过对巷道锚固孔采用孔底楔形扩孔的方式可有效提高錨固体的锚固性能，从而加强其对围岩的支护控制作用，提升巷道围岩的稳定性。

5结论

洪崖煤业81212回采巷道顶板浅部范围内煤岩体整体结构较为破碎松散，并发育有明显的裂隙，围岩自身性质软弱是巷道发生失稳的最根本原因;同时据现场锚杆拉拔试验结果表明，现支护条件下锚杆锚固力普遍偏低，锚固性能较差。

通过对锚固孔底扩孔增加锚固剂-围岩接触作用的方式可有效增强支护体与围岩间黏结力、提高支护体的锚固力;同时，采用锚固孔底楔形扩孔的方式能够更好地发挥锚固体主动支护围岩的作用。

较原先锚杆普通端锚支护时，当经锚杆锚固孔底楔形扩孔加强锚固后，锚杆锚固力提高约91.6%，锚固性能明显提升，巷道松软围岩得到了更好的控制。

【参考文献】

[1]程利兴，张辉，姜鹏飞，等.软弱煤岩体扩孔锚固力学特性与试验研究[J].采矿与安全工程学报，2019，36（6）：1153-1160.

[2]王海龙.松软围岩条件下沿空留巷围岩变形与控制技术研究[J].山西能源学院学报，2020，33（4）：9-11.

[3]单梁，王凯，范文昌，等.特厚松软煤层巷道支护技术研究[J].矿业研究与开发，2020，40（9）：87-92.

[4]张宏伟.掘进巷道围岩压力实测及支护设计优化研究[J].山西能源学院学报，2019，32（5）：5-7.

[5]贾雨.快速掘进条件下回采巷道支护优化研究[J].山西能源学院学报，2020，33（4）：4-6.

[6]陈金宇，陈刚，李卫红.不稳定松软煤层托顶煤回采巷道围岩控制研究[J].中国煤炭，2018，44（12）：51-55.

[7]王卫卫.松软煤层泥岩顶板大断面回采巷道围岩控制技术[J].山西煤炭，2019，39（3）：34-38.

[8]王海涛.松软煤层巷道支护技术研究[J].山东煤炭科技，2019（4）：41-43.

[9]田彦武.松软煤层回采巷道支护方案的数值分析与实践[J].煤，2018，27（9）：20-22.

[10]孟强.松软煤层沿空留巷围岩稳定性控制技术[J].山西焦煤科技，2018，42（1）：27-31，45.