巷道全断面抗剪锚管索支护技术研究

张泽奇

（中煤华晋集团晋城能源有限公司，山西 晋城 048200）

1 工程概况

中煤华晋集团晋城能源有限公司里必煤矿进风立井井底车场2 号巷道掘进工作面位于3#煤层底板下K7 砂岩至K5 灰岩之间的泥岩中，掘进工作面沿+3‰坡度上山掘进，全长306 m，巷道断面形状为直墙半圆拱形，净宽5.4 m，净高4.5 m，净断面24.3 m2。设计锚网索梯+喷浆联合支护，采用Φ20 mm×2200 mm 左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆，间排距800 mm×800 mm，锚固长度不小于1100 mm，锚杆托盘采用200 mm×200 mm×12 mm 四方托盘。顶板锚索为Φ21.6 mm×7000 mm 的钢绞线，间排距为1600 mm×1600 mm，每排5 根，两肩各1 根使用Φ21.6 mm×4000 mm 的钢绞线锚索。钢筋梯子梁采用Φ14 mm 钢筋制作，顶部2 根长度3500 mm，帮部各1 根长度1900 mm，搭接使用，钢筋梯宽度80 mm，横筋间距100 mm，搭接长度为100 mm，搭接处要在托盘下压紧。

2 巷道变形破坏特征及维护原则

2.1 巷道变形破坏特征

进风立井井底车场2 号巷道穿过岩层时围岩破碎，岩层整体性较差，岩互层已破碎，层间错动较多，支护锚索易被剪断而失效。2 号巷道距地表530～560 m 属于深埋巷道，与浅部岩体相比较，深部岩体处于高地应力、高地温、高孔隙压力的复杂力学环境下，围岩随着时间的增长而产生显著的蠕变现象，增加了巷道支护难度。

深埋巷道开挖后，与浅部围岩不同之处在于深埋巷道内的应力无法依靠围岩自身的承载能力实现稳定状态，而是在较短时间使巷道周边发生较大的径向位移，围岩与深部岩体形成不连续的介质面，必须要采取针对性的支护措施，防止巷道的破坏失稳。

2.2 巷道维护原则

为了满足2 号巷道安全生产需要，必须对其进行支护优化，主要原则如下：

（1）采用抗剪锚管索支护结构取代以往普通的锚杆+锚索结构，可以有效抵抗层间错动，进而可以保护锚杆+锚索在受到剪切力的作用下不会发生被剪断和拉断的现象，同时对巷道顶板支护设计及参数进行优化，实现协同支护。

（2）加强2 号巷道两帮支护，提高锚固煤体的基础刚度。基于巷道“强帮强角”支护原理，对巷道两帮锚杆参数进行优化设计，增加巷道对顶板的支承作用，减小巷道实际跨度和悬顶距离。

3 巷道全断面抗剪锚管索支护方案

煤矿巷道一般采用锚杆、锚索、金属网及钢带联合支护，可以充分发挥围岩的自承作用，但是在抵抗剪力方面锚索有着致命的缺陷，容易受到剪切力而受力不均被拉断，给巷道安全和维护成本都带来了巨大的麻烦。抗剪锚管索具有较好的抗剪强度，在深埋巷道、穿层掘进中的支护效果理想。基于2号巷道工程地质实况，提出了全断面抗剪锚管索支护设计优化方案[1-6]，具体如下。

3.1 抗剪锚管索支护

抗剪锚管索结构如图1，通过在深部裂隙岩体中增加岩体节理面的方法来增加其抗剪性能。（1）开缝钢管自身较高的抗剪强度+开缝钢管与岩体形成的机械互锁力，有效提高巷道抗滑移变形等能力；（2）锚索自身较高的抗拉强度+锚索形成轴向拉伸力，有效提高巷道抗滑移变形等能力。

图1 抗剪锚管索结构示意图

3.2 抗剪锚管索安装措施

抗剪锚管索设备及材料：（1）准备Φ32 mm金刚石复合片锚杆钻头；（2）Φ28 mm、长度2 m开缝钢管；（3）金刚石复合片锚杆钻头连接安装在开缝钢管的头端，开缝钢管与锚杆钻机连接件由锚杆托板和钻杆、内径25～30 mm 钢管及锚杆螺母焊接而成；（4）采用MQT-130/3.2 型气动锚杆钻机。

3.3 抗剪锚管索安装工艺

2 号巷道抗剪锚管索安装顺序为：打眼→插入锚固剂→安装开缝钢管→安装锚索→挂网→挂钢带→安装托板、锁具→施加预紧力。

（1）钻眼，采用Φ32 mm 钻头钻锚索孔；（2）按设计要求插入树脂锚固剂，插入锚索和开缝钢管，安装并搅拌，要求开缝钢管无外露，部分锚固剂位于开缝钢管和钢绞线之间；（3）待锚索安装15 min 后方可安装托板和垫片并预紧打压。

3.4 抗剪管索锚固力计算

确定统一采用Φ23 mm 锚固剂，21.6 mm 锚索，钻孔Φ32 mm 状态下，锚固长度的计算公式为：

通过计算可知，锚索固长度l应≥1.05 m。

锚索每孔应用1 支CK2355+1 支K2355 时，锚固剂总长度l为1.2 m，根据公式（2）计算l0为：

根据抗剪管索锚固力计算结果，在Φ32 mm 钻孔下施工安装Φ21.6 mm 锚索，树脂锚固剂采用1支CK2355 和1 支K2355，锚固力符合要求。

4 2 号巷道锚固支护及参数优化方案

基于2 号巷道工程地质实况，提出全断面抗剪锚管索方案+喷浆联合支护方案。顶板采用规格为Φ21.6 mm×3200 mm 锚索，配合长度2000 mm 的开缝钢管（16Mn 钢制作，其尾端外径为33 mm，头端外径为29 mm），端头锚固加长锚固方式；帮部采用Φ21.6 mm×3200 mm 锚索，配合长度为2000 mm 的开缝钢管进行加强支护，加长锚固方式。具体布置方案如下：

顶板支护：顶板采用9 根抗剪锚管索，间排距800 mm×800 mm，第5根抗剪锚管索位于顶板中线，挂Φ6 mm 的钢筋网，配合6800 mm×280 mm×3 mm 的W 钢带进行支护；抗剪锚管索主要是Φ21.6 mm×3200 mm 的钢绞线锚索和Φ28 mm×2000 mm 的Q345 开缝钢管。锚索钢绞线外露长度范围为150～250 mm，配套采用300 mm×300 mm×14 mm 高强度球形托板及配套锁具，为增加锚索延伸率加垫 300 mm×300 mm×100 mm 的木托盘。每根抗剪锚管索采用1 支CK2355 和1 支K2355 树脂锚固剂。

墙部支护：两帮各采用2 根抗剪锚管索，间排距800 mm×800 mm，最下1 根锚管索距底板350 mm，其他支护方案与参数与顶板支护一致。

喷射混凝土采用P·O42.5 的水泥，喷射混凝土强度为C25，喷厚150 mm。如图2。

图2 2 号巷道支护优化方案示意图（mm）

5 结语

通过对2 号巷道的现场观测发现，顶板及两帮最大位移量较小，巷道围岩稳定性较好。说明全断面抗剪锚管索支护优化方案的应用能够有效减小进风立井井底车场2 号巷道顶底板及两帮的收敛变形，提高了巷道围岩的稳定性，支护效果理想，可以节约支护材料，提高支护效率，为企业创造良好效益。