矿建工程巷道掘进锚杆支护的特点及支护效果研究

陈东义，郭彦波

（山西长安科技有限公司，山西 太原 030000）

矿建工程项目施工过程中，巷道掘进作业是其重要组成部分，通过总结大量实际施工案例发现，巷道围岩掘进受到多种因素的影响，为保证巷道围岩的稳定性，运用锚杆支护技术，可提高掘进效果，改善作业环境，降低施工风险，提高经济效益。锚杆支护主要发挥减跨、悬吊、加固等作用，能够有效提升矿建项目巷道的稳定性，加强岩层抗剪强度，将锚杆支护技术应用到矿建工程施工中，不仅能够提高支护施工效率，还能强化巷道支护的效果，对提高巷道掘进速度具有明显帮助。

一般来说，与传统棚式支护方法相比，锚杆支护机械化程度更高，掘进效率高，并且能够有效避免错误施工情况，节省大量人工成本。

1 煤矿矿建工程巷道锚杆支护技术的特点

（1）机械施工，提高施工效率。对于矿建工程而言，既往多采用棚式支护技术，此种支护技术应用范围广，在矿建工程巷道掘进中发挥良好的支护效果。但是，棚式支护技术劳动强度比较大，时间和成本控制比较困难，无法满足现实生产需要。随着科学技术的不断发展，锚杆支护技术逐渐被应用到矿建工程巷道掘进支护中，此支护技术机械化水平比较高，可显著减少施工劳动力的投入，提高掘进效率[1]。

（2）方案合理，降低施工成本。传统矿建工程项目巷道施工周期长，不利于施工成本对控制，科学技术的发展，实现了矿建工程巷道的快速施工。经过多年的实践应用，锚杆技术不断发展，通过对复杂巷道顶岩应力场的科学分析，制定更加合理的支护方案，保证施工有序开展，并且在机械化锚杆支护施工的带动下，进一步保证巷道掘进的安全性，减少巷道掘进施工风险，减少不必要的成本支出[2]。

（3）围岩加固，保证支护强度。矿建工程巷道掘进施工过程中，软弱围岩会增加施工难度与风险，从而对巷道掘进的顺利开展造成不良影响。采用锚杆支护技术后，巷道围岩结构强度能够得到有效增强[3]。通常，在使用高强度锚杆支护技术的同时，结合锚固剂，高强度加固巷道周围的岩层，从而保证围岩加固效果，提高支护强度，为矿建工程巷道掘进提供更多便利条件，满足后续生产需要。

（4）应用灵活，满足施工要求。对于矿建工程巷道掘进施工而言，采用锚杆支护技术进行支护，不仅可以发挥上述施工优势，同时因锚杆支护技术更具灵活性，适用于不同形式巷道围岩支护场景。在支护前，结合巷道围岩特点，灵活设计锚杆支护方案，确定支护形式，从而满足巷道掘进施工需要[4]。对于复杂巷道工况，对其进行科学计算和详细分析，发挥锚杆支护技术的灵活优势，对提高施工质量，减少施工风险具有重要意义。

2 工程案例

（1）原支护方案分析。以某矿建工程巷道施工项目为例，对其Ⅲ号煤层工作面支护情况进行分析。该煤矿开发时间比较长，最早可追溯到2004年，经过多年运行，目前已有可工作矿井4个，Ⅲ号煤层在长期工作使用中，煤层支护出现一定问题，如果不及时对其进行整修，很难保证巷道正常挖掘。Ⅲ号煤层原巷道顶层岩石结构主要包括细沙岩和细粒砂岩，厚度0～40.36m，平均厚度达到16.98m，局部夹杂细粒砂岩薄层，含有植物化石碎屑、白云母碎片，出现小型交错和水平层理。开矿初期，采用传统掘进锚杆顺槽支护方案，巷道掘进高度2.9m，支护宽度4.5m。经过长期使用，巷道支护结构出现问题，为避免现有支护结构出现安全事故，决定对Ⅲ号煤层原有锚杆支护方案进行优化。

（2）新支护方案分析。由于Ⅲ号煤层开发时间比较长，为保证新支护方案更加符合实际需要，对周边地质、地理环境开展详细勘查，并对原巷道几何和围岩条件进行详细分析，确保支护方案科学合理。通过调查和分析结果认为，原巷道掘进高度2.9m，支护宽度4.5m，但实际巷道横截面积为13.23m2，说明围岩条件良好，并且巷道基础跨度比较低，适合对支护结构进行改进[5]。与此同时，原巷道顶层围岩中，顶板位置分布薄层状砂质泥岩（厚度在12.5m左右），且煤层厚度4.5m～6.6m之间，围岩结构顶板厚度＞3m，为整体支护提供便利。经过慎重分析认为，新设计支护方案具有可行性。原支护方案与新支护方案的对比见表1。

表1 原锚杆支护与新锚杆支护方案的不同

在对新支护方案进行设计时，考虑到在实际设计过程中，巷道内顶板位置岩层厚度可能对支护结构所产生的影响，因此对顶板受力状况进行分析，保证设计合理，避免发生巷道顶板变形。在实际支护过程中，新方案决定以锚杆为主、锚索为辅的支护原则，改进原锚杆支护技术，确保后续Ⅲ号煤层巷道掘进的安全性与稳定性。

3 施工准备

（1）围岩加固。在进行新支护方案过程中，针对巷道顶层围岩做好变形控制，完善施工准备，并及时组织相关人员开展超前支护，对围岩进行加固处理。为此，对周围围岩特点进行详细分析，根据实际情况确定支护方式，最大程度上降低对围岩的扰动，避免顶层围岩损伤。不仅如此，施工前，充分利用TSP、超前地质预报，结合Ⅲ号煤层工作面情况，对顶层围岩相临段落地质特点进行准确分析，结合分析结果，制定软岩加固方式，并且明确支护具体施工方法[6]。此外，为进一步保证施工安全性和稳定性，在开展围岩加固时，开展全过程动态管理，加强施工管理，并且密切监控围岩变形情况，以此来确定支护形式。根据施工现场情况，总结顶层围岩性质，将结果与围岩变形监测记录一并反馈给设计单位，及时对施工设计参数以及施工方案进行科学调整，确保新锚杆支护方案能够更好的解决现有问题[7]。

（2）确保支护强度。原有锚杆支护结构比较分散，为避免此种情况，保证新支护方案更加安全、高效，新方案关注锚杆支护结构体系的完整性，并且做好配套措施准备。为避免顶层围岩发生变形，保证支护刚度，不仅要控制变形，还要采取一定措施对支护结构对稳定性进行加强。本工程采用减小钢架间距、增加支护厚度、加大支护钢架型号等方式，强化支护强度通过加大锁脚小导管的长度，保证支护锚固系统能够穿过松动围岩圈，并且锚固在力学性能相对较好的围岩上[8]。该工程除了增加锁脚小导管长度和数量，也选择强度比较高的锁脚导管，将原有的小导管调整为钢花管，并且对薄弱环节以及注浆施工进行严格的施工质量控制。增加拱架支撑点和面积，分散拱压力，保证支护整体受力均匀，尽量避免支护沉降。值得注意点是，扩大拱脚时应保证拱脚本身的强度，如扩大拱脚造成支护结构受力破坏，则无法发挥其作用。

（3）加厚锚杆托板。在实施新支护方案前，对巷道顶层围岩应力情况开展调查，结果发现，应力主要来自围岩自身重力，这种情况有利于巷道稳定性。通过计算，围岩应力涵盖覆岩体积力为24.7kN/m3，原岩应力为8.638MPa，证实巷道施工埋深相对较浅。锚杆托板在锚杆支护结构体系中发挥重要支撑作用，可抵抗一定压力[9]。即使本工程巷道顶层围岩应力情况良好，但巷道掘进时刻处于动态变化之中，并非完全安全，为避免冒顶事故，新支护方案中采用锚杆托板，并进行加厚处理，发挥良好的抗压作用。

4 巷内支护

（1）基本支护。新支护方案形成后，做好各项准备工作，然后开展巷内支护，巷内支护首先开展基本支护，从以下三个方面对巷内基本支护进行分析说明。其一，确定支护形式。大量工程实践反馈，基本支护过程中，要兼顾到围岩、支护局部结构收敛变形比，并对其进行控制，避免超过规定范围，结合局部围岩状况，加强支护的整体强度。为降低施工成本，新支护方案采用增加预应力和强力锚杆的方式，对巷道周边位置进行分离和扩散，避免局部位置发生变形，并且在结构力学性能差的围岩部位预留变形量最大程度，防止围岩支护发生变形侵线表现[10]。其二，正确选择材料。考虑到围岩经加固后，也有可能存在围岩、支护结构整体沉降情况，导致整体结构变形或者出现围岩破坏。经过详细分析认为，出现上述情况的主要原因在于支护刚度不够，而初支整体沉降的原因是锚固受力杆件锚固在松动围岩圈上，缺乏与力学性能较好的围岩有效结合，导致受力不均匀。为此，合理选择支护材料，使用延展性、柔韧性良好的支护材料，在主体锚杆和锚索之间发挥辅助作用。其三，明确支护参数。采用数值模拟技术方法，与巷道实际情况进行比较，确定锚索、锚杆支护的具体参数。一般情况下，直径22cm、长度2.5m左右的树脂材料锚杆，就可完成一次性加长（或锚固）[11]。为保证支护效果，对钢带以及金属保护顶部开展一次性加固处理。

（2）加强支护。通常，要想保证巷内顶层和周边围岩的稳定性，并且确保巷道掘进作业更加安全高效，需要对支护结构进行改进，完善支护技术，在做好基本锚杆支护的前提下，开展加固支护。加强支护过程中，在对巷道双侧位置开展挖掘作业时，巷道本身可能受到掘进作业区域范围内占地积上压力的影响，或者因为巷道两侧填充物强度不足，而对正常掘进造成严重影响。为解决上述问题，采用单体支柱搭接与顶梁相连模式，通过对巷道顶板加强支护的加固，最大程度避免顶层沉降，并且控制巷道顶板岩层离层现象，保证顶板结构的完整性。不仅如此，采用单体支柱搭接与顶梁相连模式进行加强支护，还能增加巷道掘进作业面的空间，保证施工更加安全顺利。除了上述加强支护方法外，在实践中也广泛应用专门设计的加强型支护液压支架，Ⅲ号煤层巷道支护就采用了此种工具，该支护体系主要由底座、立柱、顶梁以及四连杆组成，使用此种支架后，可实现推拉自由移动。

5 巷旁支护

（1）锚索施工。巷旁支护是矿建工程巷道掘进支护中常见的支护形式，目的在于进一步加强锚杆支护效果，并且采用充填式巷旁支护，通过此种支护形式，避免结构变形，并且解决特殊情况下相应的支护要求。结合实践施工经验认为，要想充分发挥充填式巷旁锚索支护形式的效果，需要严格按照施工要求，准备好锚索、锚杆等材料。其中，锚索施工过程中，注意尽量避免采用钻孔机进行钻孔，这是因为考虑到可能出现松软饱水、破碎的岩层，为避免坍塌缩孔，采用跟管钻进技术，锚索钻孔直径130mm，并且采用潜孔钻干钻作为成孔方法，结合巷道岩层以及岩性情况，控制钻孔速度，避免发生钻孔变径以及扭曲等现象，预防意外事故，为顺利下锚提供便利条件。锚索安装高强度低松弛育预应力钢绞线，并且正确选择锚具，在钢绞线自由段涂抹黄油，同时采用波纹管外套在钢绞线上，发挥防腐作用。每隔1m设置锚固段架线环与紧箍环，紧箍环不少于2圈。为保证钢绞线顺直，在自由锻设置架线环[12]。

（2）锚孔注浆。锚索束正确放入后，及时对其进行注浆，采用水泥砂浆进行灌注（1:1水泥砂浆，水灰比控制在0.40%～0.45%）。本工程采用孔底注浆法进行施工，注浆压力控制在0.6MPa～08MPa，保证注浆的连续性，中途禁止停止注浆，保证锚孔注浆密室、饱满。首次注浆结束后，水泥砂浆在24h开始凝固收缩，及时进行补浆。为保证注浆施工质量，注浆用的水泥砂浆随拌随用，并且搅拌均匀。锚孔注浆需要做好详细记录，注浆完成后，对注浆用具进行仔细清洗，包括注浆枪、注浆套管以及注浆管等。观察锚孔灌注的水泥砂浆达到设计强度的80%后进行锚索张拉。

（3）预应力张拉。本工程锚具底座顶面与钻孔轴线保持垂直，这样能够保证锚索预应力张拉过程在同一个轴线上。在张拉前开展现场试验，从而确定锚索预应力张拉锁定的施工工艺。有研究认为，严格根据施工要求，预应力张拉与锁定均采用分级方法比较合理。设计张拉完成7d～10d后，根据现场情况开展补偿张拉，继而锁定。一般情况下，锚索安装并且张拉后，不会发生太大受力变化，在距离掘进面21m左右时，锚索受力基本上保持稳定。煤壁所在位置须沿巷道长度5cm，向下3cm的范围内进行巷道挖掘、拓宽，并实施锚杆支护。螺纹钢锚杆横向支护时，要分别确定好锚杆横向排距直径、长度，间隔式排距1m×9m，并且使用金属网、钢带对锚杆支护结构进行保护。

6 支护效果分析

本工程在锚杆安装并施加一定预应力后，一段时间内受力情况发生微妙变化，有变小趋势。伴随Ⅲ号煤层巷道掘进工作面的推进，在距离掘进面19m后，锚杆受力才逐渐增大，在距离掘进工作面120m左右时受力趋于稳定。通过观察和记录发现，锚杆安装直至受力稳定的整个过程中，全程预应力锚杆锚固受力变化范围可控，多数锚杆受力变化范围＜5kN，部分锚杆受力变化范围在7-8kN左右（表面位移曲线如图1所示）。

图1 Ⅲ号煤层巷道掘进表面位移曲线

掘进期间，巷道变形量小，围岩完整，锚杆、锚索受力变化在可控范围之内。拱顶部位锚杆受力较小，两帮锚杆受力明显高于拱顶部位，部分达到了锚杆的屈服极限。但是，巷道所有锚杆施加较高的预紧力，实际上有利于维持围岩的稳定性，并且提高抗扰动能力。

7 总结

通过总结工程实例相关情况认为，矿建工程巷道掘进工况复杂，施工难度较大，采用锚杆支护技术，可发挥明显的施工效益。为进一步保证巷道围岩支护效果，需要结合矿建工程巷道实际情况，制定更加详细合理的施工方案，并对锚杆支护技术进行改进，最大程度发挥锚杆支护技术的支护优势。在实际施工过程中，要对施工现场地质条件进行详细调查，结合调查结果，对围岩特征、变形发展等情况进行明确，制定更加稳妥的支护方案。在此基础上，完善施工现场管理，加强施工工艺流程的监督。在实际工作中，针对巷道软弱围岩，制定更加科学的锚杆支护方案，发挥良好的施工效果。