小孔径预应力锚索加固困难巷道的研究与实践

第22卷 第3期

岩石力学与工程学报 22(3)：387～390

2003年3月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March ，2003

2001年7月5日收到初稿，2001年8月8日收到修改稿。 * 国家自然科学基金资助项目(59874015)。

作者 康红普 简介：男，36岁，博士，1985年毕业于山西矿业学院采矿系，现任研究员，主要从事巷道支护技术研究工作。

小孔径预应力锚索加固困难巷道的研究与实践∗

康红普 林 健 张冰川

(煤炭科学研究总院北京开采研究所 北京 100013)

摘要 介绍小孔径树脂与注浆联合锚固预应力锚索的特点和力学性能。以山西潞安常村煤矿大断面、围岩松软、受地质构造和采动影响的运输大巷为例，介绍巷道围岩强度、围岩结构和地应力测量结果，锚索加固设计方案，井下施工和矿压监测结果。通过分析监测数据，对锚索加固效果及其经济效益进行了评价。 关键词 井巷工程，小孔径锚索 困难巷道 加固

分类号 TD 353+.6 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)03-0387-04

STUDY ON SMALL BOREHOLE PRETENSIONED CABLE REINFORCING

COMPLICATED ROADWAY

Kang Hongpu ， Lin Jian ， Zhang Bingchuan

(Beijing Research Institute of Coal Mining ，Central Coal Research Institute ， Beijing 100013 China )

Abstract The characteristic and mechanical properties of pretensioned cable with small borehole anchored by

resin and grout are summarized. The measurement results of strength ，structures of surrounding rocks ，and in-situ stresses ， the design scheme of cable ，underground construction technology and monitoring are introduced ， based on a haulageway with large section ，soft surrounding rocks ，effected by geologic structures and mining in Changcun Coal Mine ，Lu’an ，Shanxi. The strengthening effect of the cable is appraised ，and the techno- economic benefits are analyzed by means of monitoring data.

Key words roadway engineering ，cable with small borehole ，complicated roadway ，reinforcement

1 前 言

巷道支护技术是煤矿开采中的一项关键技术，合理的巷道支护对提高煤矿开采的安全程度，降低支护成本，实现高产高效具有重要意义。近年来，煤巷锚杆支护技术发展十分迅速，已成为煤巷的主要支护手段。为了扩大锚杆支护应用范围，解决大断面、煤层顶板、复合破碎顶板、高地应力等困难巷道支护问题，又开发研制了不同类型的锚索加固技术，这些技术具有锚固力和锚固长度大、可施加较大的预应力、及时支护等多种优点，在煤矿井下应用中取得了良好效果，为困难巷道补强加固提供

了一条有效途径[1

～3]

。本文以山西潞安常村煤矿

S520水平运输大巷为例，介绍小孔径锚索加固技术的特点、支护加固设计方法和方案、井下应用情况以及支护加固效果，并进行经济效益分析。

2 现场条件与围岩地质力学测试

S520大巷是潞安常村煤矿的一条重要运输通道，服务时间达50多年。巷道布置如图1。正常情况下，该巷道处于3#煤层底板岩石中，与煤层底板的垂距约为25 m 。巷道采用锚喷支护，可以起到有效支护作用。但是在掘进过程中，遇到一向斜构造，使得部分巷道处在煤层中。由于构造区内围岩松软

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破碎，原有锚喷支护无法控制巷道变形和破坏。为此，又增设了29U型钢支架。然而，这种形式的支护效果也不理想，出现喷层脱落、支架柱腿内移及背板压裂等破坏现象。更严重的是，S520大巷与S3-2胶带运输大巷相距9.2 m，当S3-2胶带运输大巷开始掘进时，S520大巷出现了大面积冒顶和片帮现象，严重影响了矿井的安全生产。如果不及时采取有效的加固措施，将无法控制巷道强烈变形，会出现更大面积的冒顶，后果不堪设想。为此，采用了小孔径锚索加固技术。在加固设计前，进行了详细的巷道围岩强度、围岩结构和地应力测量，以确保加固设计的合理性和可靠性。

图1 巷道布置图

Fig.1 The layout of roadways

2.1巷道围岩岩性与强度

S520大巷处于3#煤层及其底板岩层中。3#煤层平均厚度6.05 m，倾角3°～6°。煤层平均单轴抗压强度为16.9 MPa。

煤层直接顶有两层岩石：一层为1.72 m厚的深灰色泥岩，抗压强度为50.6 MPa；另一层为粉砂岩，厚度0.52 m，抗压强度为58.8 MPa。老顶为灰白色中砂岩，平均厚度8.24 m，强度变化范围为70～102 MPa。

3# 煤层直接底板为中细砂岩，厚度平均为3.03 m，抗压强度为56.8 MPa；另一层为泥岩，厚度1.7 m，抗压强度为42.5 MPa。老底为粉砂岩，平均厚度9.03 m，抗压强度为70.6 MPa。

2.2巷道围岩结构

在巷道围岩中钻孔，采用光导纤维窥视仪观察了钻孔内节理、裂隙分布和顶板离层状况。观测结果表明，S520大巷顶板岩层(即3#煤层底板)层理和节理非常发育，特别是靠近巷道周边的泥岩，基本上呈破碎状。岩层和煤层交界面处出现了显著离层，估计离层量超过10 mm。可见，巷道围岩破坏比较严重。

2.3地应力

采用水压致裂法进行了原岩应力测量。测量结果表明：最大水平主应力为13.78 MPa，方向为北偏西35.7°；最小水平主应力为6.96 MPa；垂直主应力为10.4 MPa。可见，最大主应力为最大水平主应力，中间主应力为垂直主应力，最小主应力为最小水平主应力。

距巷道一侧9.2 m处将开掘S3-2胶带运输大巷，巷道另一侧将有回采工作面回采。由于S520大巷与S3-2胶带运输大巷的距离很近，S3-2胶带运输大巷开掘时对S520大巷将产生显著影响。

3 小孔径树脂与注浆联合锚固预应力

锚索

3.1现有锚索种类

锚索有多种形式。按钢绞线的根数分，有单根锚索和锚索束；按锚固材料分，有树脂锚固锚索、水泥锚固锚索；按锚固长度分，有端部锚固锚索和全长锚固锚索；按预应力分，有预应力锚索和非预应力锚索。目前，煤矿中使用量最大的是树脂端部锚固锚索，这种锚索是针对煤巷特点开发的小孔径树脂锚固预应力锚索，其最大特点是采用树脂药卷锚固，通过锚索搅拌器可以象安装普通树脂锚杆那样对锚索进行端部锚固，其安装孔径仅为φ28 mm，用普通单体锚杆机即可完成打孔、安装。安装工序大为简化，加之采用小孔径，因而施工速度大幅度提高，而且安装后可立即施加预应力，及时承载。

3.2树脂与注浆联合锚固锚索的特点

虽然树脂端部锚固锚索具有上述特点，但由于锚索为树脂端部锚固，加固效果和可靠性比注浆锚索差，不适合服务年限长的巷道。为了使锚索兼有树脂锚固和注浆锚固的优点，开发了树脂与注浆联合锚固锚索。这种锚索的特点为：

(1) 单根钢绞线，先用锚索搅拌树脂锚固剂，进行端部锚固；

(2) 树脂端部锚固后，施加较大的预应力(100～120 kN)，使锚索及时承载；

(3) 端部锚固后实施水泥注浆，进行全长锚固；

(4) 锚索钻孔直径为32 mm，采用单体锚索钻机，不需要笨重的地质钻机，施工速度很快；

(5) 锚索钻孔兼做注浆孔，对破碎围岩实施注浆加固。

3.3锚索快速施工机具

A—A剖面