一種新型錨桿在謝橋煤礦的成功應用

張五一，李育宗

（1.淮河能源（集團）股份有限公司煤業公司謝橋煤礦，安徽 阜陽 236000；2.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001）

隨著國家的戰略性政策指引，近些年井工開采煤炭礦區的掘進深度呈現不斷增大的趨勢，由此產生了許多問題，如施工環境更加多變且劇烈復雜、圍巖完整性與穩定性較差、巷道支護困難、應力集中導致的圍巖大變形等[1-2]。這些問題嚴重威脅著施工人員的生命及施工設備的安全，也嚴重影響著煤炭礦區中施工掘進的進度。對于在煤礦巷道中圍巖變形控制所采取得支護技術，目前仍舊以錨桿支護為主。許多學者相繼對巷道錨桿支護問題基于實際工況做了相關創新與研究。方躍峰[3]在淮北礦區中實行了鋼帶式組合錨桿試驗，即以錨桿為支護主體，以鋼帶和金屬網為連接部件組成一個整體并應用到礦區巷道支護中，結果表明該形式可以降低一定成本并一定程度上減少了巷道圍巖的大變形；郭亮[4]在宜興煤礦1206 礦區中巷道采用工程實驗測試相關參數、理論計算以及數值模擬的方法，得出了此種情況下錨桿支護的最佳工況，取得了較好的成效，為此類工程提供了參考；李剛等[5]在山東安居煤礦中優化了相關錨桿支護參數，原始采用的錨桿支護有很大的富余承載強度，優化后降低了成本，但是在深部礦區由于施工或其他因素引起的大變形問題依舊存在；毛望平[6]在辛置煤礦2-208 工作面中針對煤層較厚，圍巖變形大，錨桿支護效果差的情況下使用“錨桿+ 錨索+ 金屬網”的支護方案，對掘進工作面圍巖整體變形的問題取得了一定治理成效，但圍巖局部變形的形勢仍較嚴峻；王麗弘[7]在山西某礦區采用錨桿與錨索混合型布置，這種方法會改善局部變形，但同時會使承載力降低，錨桿錨索的預緊力水平也較低，特別在深部礦區使用時效果不佳；朱旭達[8]在山西大同某礦區采用了強幫強角錨桿的技術，通過改變錨桿的長度、直徑、增加錨桿的密度，以起到強幫的效果，同時改變錨桿插入巷道圍巖中的角度達到強角的效果，在實際工程中可以改善錨桿的部分受力狀態與自身抗力、強度、剛度，一定情況下可以改善巷道變形，但是在大深部礦區巷道使用該手段時效果不明顯。

錨桿支護技術在煤礦巷道的圍巖大變形支護技術中應用很廣泛，但隨著煤炭開采深度的增加，錨桿斷裂等支護失效問題仍然非常突出，亟須改進?；趥鹘y錨桿失效特點，本文擬提出一種能夠防止應力集中的新型錨桿，并在謝橋煤礦2131 掘進工作面成功進行了新型錨桿支護試驗，對深部圍巖變形及錨桿斷裂等支護失效問題起到了良好的改善的效果，可為深部煤礦巷道支護設計提供重要參考。

1 工程概況

謝橋煤礦是一座年生產能力8 Mt 的特大型礦井，位于淮北平原西南部，謝橋向斜北翼，總體形態為單斜構造，傾角一般為8°～15°，產狀穩定，全區走向平面上是舒緩波狀無明顯的次級褶皺構造。謝橋煤礦井田煤系地層被第四系松散層覆蓋，覆蓋層厚度為194.10～485.64 m，屬全隱蔽井田。井田東西走向長約11.5 km，南北傾斜寬4.3 km，謝橋礦區總面積約為41 km2，西起F5斷層，東到F209斷層，南起17-1#煤層，高程約為-1 000 m，北止于1#煤（-420～-430 m）。井田地層由老到新分別為奧陶系、石炭系、二疊系、古近紀、新近紀、第四系?？刹擅簩又饕诙B系，厚度達700 多米。

新型錨桿支護選擇在謝橋煤礦2131（3）工作面順槽巷道掘進工作面進行試驗。2131（3）工作面位于二水平東翼13-1煤采區，西起二水平東翼C組采區上山，東至補Ⅱ勘探線。北臨2121（3）運輸順槽，南至-900 m 等高線位置。工作面上限底板標高-752.1 m，限底板標高-894.3 m，2131（3）切眼底抽巷內錯切眼平面距離2.0 m。2131（3）工作面軌道順槽沿空掘進，軌道順槽與2121（3）運輸順槽平行布置，凈煤柱5 m。工作面13-1煤賦存穩定，煤層底板總體呈西低東高，局部起伏大。煤層厚度0.2～8.1 m。13-1煤：黑色，粉末狀～塊狀，玻璃～油脂光澤，屬半亮型煤，煤層上部和下部分別發育一層夾矸，夾矸為泥巖或炭質泥巖，煤層結構0.5（0.3）3.7（0.4）1.0。13-1煤頂板發育有13-2煤，均厚0.5 m，局部為薄層炭質泥巖或尖滅，與13-1煤層間距0.4～4.0 m，平距3.7 m。

13-1煤層直接頂為0.4～4.0 m 均厚3.7 m的泥巖，與13-2煤組成的復合頂板，層理發育，單軸抗壓強度為15.086～17.356 MPa；老頂為細砂巖，厚度為2.0～7.8 m，均厚3.9 m，單軸抗壓強度為89.248～112.768 MPa。煤層直接底為泥巖，厚度為0.5～3.2 m，均厚1.8 m。

2 新型錨桿特點分析

2.1 原錨桿支護應用情況

錨桿支護是煤巷支護的主要手段，錨桿的主要作用體現在對圍巖提供初始支護阻力，而初始支護阻力由錨桿的預緊力提供。目前謝橋煤礦主要應用的錨桿為左旋無縱筋錨桿，型號為MG400，相當于4 級建筑螺紋鋼，相關力學性能指標如表1所示。

表1 錨桿相關力學性能指標要求

表2 謝橋煤礦地應力測試結果

錨桿螺母材料的抗拉強度應為630 MPa，螺母螺紋的承載力應大于錨桿桿體尾部螺紋承載力。螺母與墊圈之間設置了減摩墊圈。螺母組裝件承載效率系數（η）：尾部螺紋、螺母組裝件承載力與桿體母材最大力實測平均值之比，其中無縱肋螺紋鋼錨桿≥0.90，等強螺紋鋼錨桿≥0.95。其構造尺寸為：錨桿長度為2 400 mm，直徑22 mm，肋高2 mm，肋間距10 mm，如圖1 所示。

圖1 MG400 錨桿

在中淺部煤層開采中MG400 錨桿表現出良好的支護性能，但隨著謝橋煤礦巷道深度增大（-800～-1 000 m）MG400 錨桿的局限性逐漸暴露：巷道開挖后，巖體內部發生應力重新分布，出現應力集中區，MG400 錨桿不能較好地滿足應力集中區、強采動影響段等特殊地段的安全生產需求；在掘進階段，巷道圍巖由于流變產生變形，隨時間推移變形逐漸增大，而且在具有沖擊傾向的巷道中，巷道變形可能突然增加，產生危險，MG400 錨桿在抵抗較大變形時，往往會產生斷裂，不能很好地發揮其錨固性能。

2.2 新型錨桿的構造特點

總結以往工程實踐經驗，MG400 錨桿斷裂的位置主要集中在距離托板150～400 mm 的范圍內。經過監測分析，MG400 錨桿斷裂的主要原因是軸向應力在向巖層內部傳遞的過程中，在上述位置存在過高的應力集中，超過錨桿材料的單軸拉伸強度時會造成錨桿斷裂等支護失效問題。究其原因，主要是錨桿部分區段肋的設置不合理，造成錨桿界面軸向應力過于集中，難以有效向巖層內部傳遞。因此，在不改變MG400 錨桿鋼材性能的基礎上，設計了一種新型錨桿，如圖2 所示。構造如下：將全長為2.4 m 的錨桿劃分為三個區域，分別為A 區、B 區和C 區；A 區內錨桿上的肋全部磨平，使錨桿光滑無凸起；B 區內所有肋的間距增大為原來的3 倍，也就是將B 區內的肋間隔磨平,并采用焊接的方法制作一個錨點，錨點直徑 （含桿體）26～28 mm，錨點上有三個等間距豎紋，方便漿液流動；C 區內肋間距不變化，采用焊接鋼條的方法制作三個錨點，錨點寬度約為6～8 mm，錨點直徑為28～30 mm，錨點上有三個等間距豎紋，方便漿液流動。

圖2 新型錨桿的構造

新型錨桿與原MG400 錨注在軸向拉拔作用下錨桿表面軸向應力分布曲線如圖3 所示。伴隨肋間距的增加，錨桿拉拔力先升高后降低；錨桿由自由段至遠端錨固段肋高和肋間距逐漸減小，可顯著增加桿體與錨固劑的接觸，將拉力更多地傳遞給較遠處的穩定巖層。所以，此新型錨桿的自由端至錨固端的區域抗拉能力相比普通錨桿有很大提升，并且新型錨桿能有效改善錨桿附近的應力集中現象，增大錨桿的錨固能力。

圖3 新舊錨桿的構造及拉拔力對比

3 應用分析

3.1 巷道受力分析

工程實踐選擇在2131（3）工作面軌道順槽東段進行。該巷道實際探測頂板巖性為：0～3.3 m砂質泥巖，3.3～3.4 m 煤，3.4～4.1 m 砂質泥巖，4.1～6.8 m 細砂巖，6.8～10 m 砂質泥巖。

2131（3）工作面礦壓數據，參考謝橋礦地應力測試結果，最大主應力在29.92～35.6 MPa，取平均值32.76 MPa，方向為北偏東94.5～102.4°，取平均值98.5°，該工作面兩巷方向為北偏東101°，與最大主應力方向基本一致，最大主應力對巷道影響最小。

2131 （3） 軌道順槽東段錨桿支護設計如圖4所示。

圖4 2131（3）軌道順槽東段錨桿支護設計平面

3.2 施工工藝

巷道頂板新型錨桿支護的施工工藝流程為：鉆頂板錨桿孔→清孔→安裝錨固劑和錨桿→用錨桿鉆機攪拌錨固劑30 s→停止攪拌并等待90 s→擰緊螺母→依次安裝其它頂板錨桿。具體施工工藝如下：

①錨桿孔采用氣動錨桿鉆機完成，用氣動錨桿鉆機按鋼帶孔位打錨桿眼。巷道頂板錨桿長2 400 mm，采用直徑為32 mm 的鉆頭、配套鉆桿打眼。頂部孔深要求為2 320 mm，并保證鉆孔角度。②放入錨固劑，錨桿桿體套上托盤并帶上螺母，桿尾通過安裝器與鉆機機頭連接，桿端插入已裝好錨固劑的鉆孔中，升起錨桿機推進錨桿，直至錨桿難以推進時開始邊攪拌邊推進，直到推入孔底，停止升鉆機。③利用鉆機攪拌錨固劑，攪拌30 s后停機。錨固劑攪拌是錨桿安裝中的關鍵工序，攪拌時間為30 s。同時要求攪拌過程連續進行，中途不得間斷，停止攪拌后等待90 s。④90 s 后再次啟動鉆機，錨桿螺帽在鉆機的帶動下頂掉堵片，托盤快速壓緊頂板巖面，使錨桿具有較大的預緊力，此時外形標準為托盤緊貼巖面，塑料減摩墊圈嚴重變形或擠出。最后使用多功能錨桿鎖緊器緊固錨桿，使錨桿達到設計扭矩。

3.3 礦壓觀測分析

2131（3）工作面軌道順槽東段已施工段共安裝8 個礦壓觀測站，其中日常測站和綜合測站各4個，礦壓數據分析如下：頂板發生離層的有4 個測站，其中離層最大值發生在1 號綜合測站，總離層值16 mm。3 個綜合測站巷表位移發生變化，其中2 號綜合測站巷表位移最大，頂板下沉量40 mm，高幫位移160 mm，低幫位移100 mm。4 個綜合測站錨桿錨索受力均有變化，其中頂板錨索受力最大值為281 kN，頂板錨桿受力最大值為118 kN，高幫錨桿受力值最大為156 kN，低幫錨桿受力最大值為99 kN。

通過上述分析發現，巷道頂板離層值和頂板下沉量均較小，頂板支護滿足支護安全要求，圍巖整體變形量較小，未出現錨桿斷裂等支護失效問題。

4 結語

針對謝橋煤礦深部巷道經常出現的錨桿斷裂等支護失效問題，通過重點分析錨桿破壞特點，提出一種能夠防止應力集中的新型錨桿，并在謝橋煤礦2131 工作面軌道順槽成功進行了新型錨桿支護試驗。新型錨桿試驗結果表明，巷道頂板離層值和頂板下沉量均較小，頂板支護滿足安全要求，圍巖整體變形量較小，未出現錨桿斷裂等支護失效問題，可為深部煤礦巷道支護設計提供參考。