马洪军，孙德宁，刘 海

(1．东辰煤炭有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300;2．内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010)

唐公塔煤矿位于内蒙古自治区准格尔煤田北部，矿井设计生产能力600万t/a，现已经在6#煤层中布置400万t/a的综放工作面，为在6上－2煤层中再布置一个年产200万t/a的综采工作面，掘进6上－2辅运大巷，设计总长度为 1 832．08 m，巷道方位角 24°，与6上－2回风大巷夹角92°。作为 6上－2煤层综采工作面回采准备道，用于运输、行人、通风，设计年限10年。工作面上方地表高低起伏，整体呈北高南低、东高西低状态;西侧有一条沟壑，走向与工作面走向大体一致，标高1 127～1 230 m，属于典型的黄土高原地貌。邻区：6上－2层辅运大巷在6上－2回风大巷掘进前进方向右侧，6上－2辅运大巷前进方向左侧为井田边界，与官板乌素煤矿相邻，掘进施工过程中要重视探放水工作。右侧为6上－2皮带大巷，对施工无影响。6上－2辅运大巷，巷道断面大，沿煤层底板掘进，为全煤巷道，巷道易变形。加之作为行人巷，安全系数要求更高，对巷道支护提出了新的要求。根据该矿地质特点，提出锚杆、锚索联合支护，解决了大断面全煤巷的支护问题，保证了矿井的安全生产。

1 锚杆锚索联合支护的作用原理

1．1 悬吊理论

悬吊理论认为：向巷道顶板中打锚杆，能够使巷道顶板中的不稳定岩层悬吊在上部稳定坚固岩层中，不稳定岩层不至于冒落，见图1(a)。在软弱岩层中，向巷道顶板中打锚杆，能使顶板中的破碎岩石悬吊在软弱岩层上部形成的自然平衡拱上，保证了下部软弱岩层的稳定性，见图1(b)。

图1 锚杆悬吊作用原理示意图

1．2 组合梁理论

组合梁理论认为：1)向巷道顶板中打锚杆，通过施加预紧力，锚杆锚固各岩层，增加了岩层间的接触压力，防止岩层出现离层，错位。2)打入岩层中的锚杆增加了岩层的抗剪强度，防止岩层水平移动，使锚杆作用范围内的几个岩层锚固成一层较厚的组合梁。在上覆岩层荷载作用下，组合梁最大弯曲应变和应力大大减小，挠度也大大减小，而且组合梁越厚，组合梁内的最大应力、应变和挠度也越小，见图2。

图2 叠合梁与组合梁的内力比较

1．3 组合拱理论

组合拱理论认为：向顶板岩体中打预应力锚杆，由于岩体具有弹性，在岩体内能形成锥形体压缩区，见图3(a)。因此，如将锚杆沿巷道周边按一定间距纵向排列，当围岩受压发生变形时，打入岩体内的锚杆对其作用范围内的岩体作用压应力，在每根锚杆作用范围内形成的锥形体压缩区彼此重叠连接，形成均匀的连续压缩带，见图3(b)。这个能保持自身稳定，承受地压，阻止岩体移动和变形的压缩带，简称挤压加固拱。

图3 锚杆的挤压加固拱

锚杆一方面在锥形体压缩区内产生压应力，通过增加节理裂隙面或岩块间的摩擦力，增大了岩体的黏结力，防止岩块运动和位移，增大了破碎岩体的强度;另一方面，周围围岩应力状态因锚杆产生的压应力而得到改善，进而使岩体强度增大，即挤压加固拱力学特性。但挤压加固拱理论只是将支护力简单相加，没有考虑支护与围岩的作用关系，按挤压加固拱理论计算，数据往往与实际情况相差很大，一般不能做为准确的定量设计。但可作为锚杆设计和施工当中的重要参考。

1．4 锚杆锚索联合支护原理

1)锚杆—锚索联合支护的加固原理。当锚杆和锚索同时安装在围岩中，对围岩有共同的加固作用。锚索具有工程延伸量小的优点，围岩在其变形范围内产生的松动破坏区也就小。所以，锚杆和锚索均以加固对围岩起加固作用为主，共同增大锚固支护体的承载能力，进而使围岩保持稳定。

2)锚杆—锚索联合支护的互补原理。开挖巷道早期，围岩破坏小，加上锚杆的加固作用，锚固支护体承载能力较高，围岩在一定变形范围内可以保持自身的稳定。随着时间推移，围岩变形量逐渐增大，锚固支护体的承载能力和自稳性下降，同时围岩内部集中应力移往深部，围岩变形趋于稳定。在锚固支护体失稳前，通过锚索的悬吊作用，保持它和围岩的稳定。

2 巷道支护设计与优化

6上－2辅运大巷断面为矩形，宽度5．4 m，高度3．7 m，面积19．98 m2，巷道类别为准备巷道。其支护形式为：锚杆+网+钢带+锚索+喷砼。其地质情况见图4。

图4 6上－2辅运大巷煤层综合柱状图

2．1 预应力锚杆支护参数优化

1)按悬吊理论计算。

a)锚杆长度：

式中：

L—锚杆长度，m;

L1—锚杆外露长度，m，取0．10;

L2—锚杆有效长度，不小于不稳定岩层厚度，m;

L3—锚杆锚固长度，m，端部锚固取0．4。

b)锚杆锚固力与直径。

经拉拔实验测定，综合比较，取80。式中：

Q—锚杆锚固力;

K—安全系数，取2．0;

a1、a2—锚杆间、排距，m 取 1．1、1．2;

γ—不稳定岩层平均重力密度，kN/m3，取25。取18 mm。

式中：

d—锚杆直径，mm;

σt—杆体材料的抗拉强度，MP，取400。

c)锚杆间、排距。

式中：

K—锚杆安全系数，取2．0。

锚杆间、排距取1．1 m、1．2 m。

2)按挤压加固拱理论计算锚杆参数。

挤压加固拱理论不要求锚杆一定伸入坚固岩层中。但锚杆长度和间距必须满足一定关系，才能形成有效厚度的挤压加固拱，以支承地压。按照挤压加固拱理论，有下式：

式中：

b—加固拱厚度，m;

L—锚杆的有效长度，m;

α—锚杆在松散体中的控制角;

a—锚杆的间距，m。

按锚杆的控制角45°计算有：

b=L－a=2 －1．1=0．9 m，加固拱厚度为 0．9 m。相当于3层混凝土碹的厚度。

6上－2辅运大巷顶锚杆采用d18×2 000等强螺纹钢，锚固力/根≥80 kN，预紧扭矩≥200 N·m，间距1 100 mm，排距1 200 mm，符合计算要求。

3)锚固参数。锚固剂直径应与钻孔直径和锚杆直径相匹配。按照使锚固剂能够顺利安装在钻孔中，同时锚杆体又能充分搅拌锚固剂的原则，一般来讲，锚固剂直径要比钻孔直径小3～5 mm。锚固长度主要分为端部锚固、加长锚固和全长锚固。端部锚固：锚杆锚固长度L≤500 mm或L≤钻孔长度的1/3;全长锚固：锚杆锚固长度≥钻孔长度的90%;加长锚固：端部锚固长度≤锚杆锚固长度≤全长锚固长度。

6上－2辅运大巷顶板钻孔直径d27 mm，按照上述原则，采用端部锚固，采用CK2350树脂锚固剂，它是直径为23 mm，长度为50 cm的超快树脂锚固剂。

4)锚杆施工工艺。锚杆眼打完后，清净眼孔内的岩粉积水，装入2支树脂锚固剂，用锚杆将药卷送到眼底，在锚杆外端套上锚杆连接器，用锚杆机或风煤钻推进锚杆，并搅拌树脂锚固剂，搅拌时间不少于20～30 s，20 min后将锚杆的螺帽拧紧。打锚杆应由外向里，先顶后帮，顶部锚杆由正中开始，分别向两边进行，并做到打一注一，顶板锚杆用MQT－70C型锚杆钻机钻眼并安装，帮部锚杆用风煤钻安装。

2．2 小孔径预应力锚索支护

预应力锚索主动支护是煤巷支护技术中的一项重大改革。由于它能够打入到岩体深部，可将下部较厚的不稳定岩层锚固在上部稳定的岩层中;而且通过施加预应力，变被动支护为主动支护，是煤巷支护中配合锚杆支护的必备措施。

1)锚索参数计算。锚索的作用主要表现在它是将顶板下部不稳定岩层悬吊在上部稳定岩层中，因此按悬吊理论计算，按最危险的极限状态计算，即锚索悬吊顶板下部岩层的重量，同时依据岩层的强度、裂隙、锚杆支护参数等考虑岩层自身承载能力，综合计算得：锚索长度取 6．2 m，直径 17．8 mm，锚固力160 kN。

2)锚索索体选用。小孔径树脂锚固力锚索，索体为钢绞线。钢绞线由一组钢丝以螺旋状沿同一纵轴绕转组成，目前7股d5 mm钢绞线应用最为广泛。常用钢绞线性能指标见表1。

表1 常用钢绞线力学参数

6上－2辅运大巷采用 d17．8 ×6 200 钢绞线，排距3 600 mm，锚 固 力/根 ≥ 160 kN，预 紧 扭 距 ≥100 N·m。

3 支护工序

顶锚杆施工：安全准备→确定中心锚杆孔位→打定位锚杆到预定深度→退出钎杆→架设钢带→装填锚固剂→装锚杆→安联接手→搅拌药卷30 s→凝固不少于40 s→卸掉联接手→拧紧螺母→按钢带孔位依次施工剩余锚杆。

帮锚杆施工：安全准备→两帮刷齐、找平→确定孔位→打锚杆眼到预定深度→退出钎杆→扫眼→装入锚固剂→装锚杆→安联接手→搅拌药卷30 s→凝固不少于40 s→卸掉联接手→安托盘→拧紧螺母。

打锚索施工：安全准备→确定孔位→用套钎钻眼到指定深度→退出钎杆→装填锚固剂→装锚索→安联接手→搅拌药卷30 s→卸掉联接手→凝固时间不少于10 min→用千斤顶紧固锁具。

安装锚杆、锚索前，应检查锚杆眼的质量、深度、角度均要符合设计要求，如不符合要求时，必须重新施工。装填锚固剂顺序要正确，注锚索时先装CK2350锚固剂后装M2350锚固剂，禁止使用不合格的锚杆和锚固剂。搅拌锚固剂时，将锚杆均匀推到孔底，中间不得停顿，必须严格按搅拌时间搅拌。巷道断面示意图见图5。

图5 巷道断面示意图

4 支护情况

唐公塔煤矿6上－2辅运大巷，自2010年6月掘进以来，在近一年时间里，顶板最大下沉量100 mm，见图6。尽管由于锚索锚杆的大量使用，原材料成本高，但相较于其它支护方式，巷道施工成本降低，巷道变形量小，维修少，维修费用低。未发生冒顶、锚索拉断事故，安全系数高。

图6 竖向位移与时间变化曲线图

5 结语

唐公塔煤矿6上－2辅运大巷，属全煤巷道。由于巷道顶部及两帮均为煤体，煤的强度低，节理发育，煤体的稳定性差，掘进迎头容易出现冒顶、片帮，加之巷道宽度达到5．4 m，高度3．7 m，属大断面，给支护工作带来困难。通过采用以锚杆锚索为主的联合支护方法，成功解决了主要大巷开掘在煤巷中的支护问题，保证了矿井的安全高产高效，同时也为国内其它矿井的大断面煤巷支护工作提供借鉴经验。

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