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)：387～3902003年3月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March ，20032001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)03-0387-04STUDY ON SMALL BOREHOLE PRETENSIONED CABLE REINFORCINGCOMPLICATED ROADWAYKang 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 byresin 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 ，reinforcement1 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• 388 • 岩石力学与工程学报 2003年破碎，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 roadways2.1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剖面第22卷 第3期 康红普等. 小孔径预应力锚索加固困难巷道的研究与实践 • 389 •为实现锚索快速施工，引进了澳大利亚生产的新型风动Super Wombat 锚索钻机和风动Eagle 注浆泵及M150型搅拌机。

前者重量轻、扭矩和推力大，能快速完成锚索孔的钻进；后者可与锚索钻机共用一套风路，快速、高质量地完成水泥-水玻璃类无机材料的注浆工作。

上述设备与国产的钻头钻杆和锚索张拉设备配套，形成锚索注浆快速施工系统，极大地提高了施工速度。

4 锚索加固设计本次加固设计采用有限差分数值计算程序FLAC3.3和经验法相结合，进行了26个方案的计算，模拟了有无锚索加固、不同锚索参数和采动影响前后巷道变形和破坏情况。

图2为加固前后的围岩破坏状况，可见，无加固时巷道受S3-2胶带运输大巷掘进的影响，小煤柱几乎全部发生剪切破坏，煤柱侧巷帮位移很大，顶板煤层与岩层交界面上产生显著离层。

采用锚索加固后，小煤柱剪切破坏范围明显减小，在煤柱中间出现一弹性核，十分有利于煤柱的稳定。

靠煤柱侧巷帮位移很小，顶板离层得到有效控制，锚索加固效果非常明显。

图3为锚索受力分布。

煤柱侧帮锚索受力最大，顶板锚索在有层理的位置受力较大，其余部位受力较小。

通过多方案比较，最后确定如下加固方案： (1) 顶板锚固：锚索索体直径15.24 mm ，长度10.3 m 。

树脂与注浆联合锚固，树脂锚固长度1 m ，(a) 加固前(b) 加固后ο --- 拉伸破坏 * --- 剪切破坏 ×--- 弹性，在过去屈服图2 巷道锚索加固前后围岩破坏状况Fig.2 Roadway failure state of surrounding rock before andafter reinforcing图3 锚索受力分布Fig.3 Force distribution along cable其余部分采用水泥浆全长锚固。

锚索托板为0.7 m 长的12#槽钢，并用平钢带沿巷道轴向连接。

每排3根锚索，间距、排距均为2 m 。

(2) 两帮锚固：煤柱侧帮采用1根锚索束，由3根钢绞线组成，长度7.3 m ，注水泥浆锚固。

另一侧布置1根小孔径树脂与注浆联合锚固锚索，长度亦为7.3 m 。

托板为400 mm ×300 mm ×10 mm 的钢板，并用12#，16#槽钢沿巷道轴线连接。