软岩支护锚杆锚固力与围岩强度相关性研究

马腾

（新汶矿业集团（伊犁）能源开发有限责任公司一矿，新疆伊宁 835000）

软岩支护锚杆锚固力与围岩强度相关性研究

马腾

（新汶矿业集团（伊犁）能源开发有限责任公司一矿，新疆伊宁 835000）

本研究主要是针对伊南矿区某矿井正在施工3层煤辅助、胶带、回风三条下山，通过分析锚杆支护与围岩强度机理，提出支护改革措施，优化现场施工工艺，保证现场施工安全，提高施工效率。本文结合井下已掘巷道支护形式进一步提出了优化方案并在现场实施，通过前后巷道支护质量及巷道来压后巷道变形比较，得出适合本矿实际的支护形式。同时，积累伊犁矿区支护参数，为其他矿井开发建设提供直接参考资料。

软岩 支护 锚杆锚固力 围岩强度

1　主要研究内容

（1）通过在同一巷道进行不同型号锚杆支护试验，可以测出在相同强度围岩下巷道的变形情况及锚杆对巷道的支护效果。（2）在同一围岩强度下，施加不同直径锚杆钻孔和锚固剂，可以测得在该围岩强度下有效控制巷道变形的最佳锚固力。（3）巷道在超挖或者片帮严重情况下，在煤壁与锚杆托盘间施作混凝土垫块，或者双网双抗结构，可有效的防止锚杆锚固力削减。

2　研究目标

研究软岩支护锚杆锚固力与围岩强度相关性，可以根据不同巷道的岩体强度，施加不同的锚固力，以对巷道变形达到最佳的控制效果。为矿井支护和后期巷道安全维护提供科学依据。

3　技术关键

（1）下山掘进迎头易发生积水，造成岩石膨胀，泥化，影响综掘机施工，对人员施工也造成困难，应解决迎头积水问题。（2）巷道断面大，掘进过程中两帮易发生片帮，对人员安全造成威胁。（3）围岩稳定性差，底板岩石遇水膨胀易发生底臌造成巷道变形失稳。

4　技术经济指标

（1）原巷道平均施工速度提高30%以上。（2）工程质量满足设计要求，质量合格。（3）形成一套完整的锚杆支护施工工艺，施工技术及研究达到国内领先水平。

5　达到的技术水平

弱胶结软岩是在我国西部矿区白垩系、侏罗系地层中广泛存在的一类特殊软岩。由于其强度低、岩石颗粒之间的胶结物黏聚力小、岩石取芯率低、试验难度大，所以研究成果非常少。本研究针对该矿井下巷道支护中的实际问题，采用理论分析与现场实际，提出经济合理安全可靠的支护方法；同时提出合理施工工艺，确保巷道施工安全。

6　经济、社会效益及推广应用的前景

（1）通过支护工艺改革，大大提高巷道的安全性和稳定性，保证工程质量及现场安全。（2）优化了施工工艺，提高掘进速度、降低成本。（3）由于支护结构可靠，有效减少巷道变形，避免巷道翻修，节约了巨额的维修费用。（4）高应力煤巷在我国西部矿区广泛分布，随着西部煤矿建设和生产的发展，巷道底鼓、片帮显现将会越来越频繁和越来越严重，所以本研究成果有广泛的应用前景。

7　采用的研究、实验方法和技术路线

7.1确定合理锚杆选型

该矿原巷道支护采用Φ20*2200等强螺纹钢式锚杆，后期优化为采用Φ20*2200热轧细牙等强螺纹钢式树脂锚杆。通过使用Φ 20*2200热轧细牙等强螺纹钢式树脂锚杆后，同一区域巷道支护后变形较原锚杆有了明显减少，但随着巷道不断延深，巷道掘进至深部后巷道变形逐渐增大。针对这一现象巷道支护过程中对巷道顶板锚杆再次进行了优化，采用Φ20*2400锚杆。通过对同区段支护效果对比，顶板及肩窝处变形有了显著改善。

7.2锚杆支护“三径匹配”

锚杆支护“三径匹配”是指钻孔直径、锚杆直径、锚固剂直径“三径”之间的最佳配合，从而使锚杆支护结构整体达到最佳的支护状态。综合分析研究结果及实践经验证明：锚杆直径对于是否能够有效充分地均匀搅拌树脂药卷以及锚杆是否能够顺利安装起着非常关键的作用。钻孔直径与锚杆直径之差在6-10mm之间时，可以获得较大的锚固力和较好的支护效果；树脂锚固剂直径应比钻孔直径小3-6mm。

7.3增加截割破碎区支护强度

该矿掘进过程中巷道压力大，煤层破碎严重。巷道原施工过程中前期为采用“双盘双帽”法进行支护，即锚杆支护过程中第一层锚盘与螺帽将锚杆锚固至紧贴岩面，空帮（肩窝）处充填碎煤块，外部第二层锚盘与螺帽将锚网与充填面压紧密实。后期采用“双层网”法进行支护，即巷道截割完支护时将锚网直接锚紧至紧贴岩面，然后对空帮严重处进行二次挂网固定保证巷道成型，对两层网间空帮部分不再采用充填碎煤块而是直接喷浆喷实。

以上两种方式施工一段时间后综合两种方法优缺点进一步优化为对涨帮、漏顶部分采用水泥砌块配合废旧皮带、W钢带垫压到锚盘下，提高了巷道预紧力、节省了材料，同时也消除了充填碎煤块存在的煤自燃隐患。

8　项目的研究意义

8.1具有重大的工程应用价值

揭示该矿“震顶”和“底鼓”生产机理、探索显现规律、评估灾害等级、寻找治理措施，提出经济合理安全可靠的支护方法，解决该矿当前遇到的“震顶”和“底鼓”两个巷道掘进中的难题；同时为本矿后续可能显现更加严重的“震顶”和“底鼓”现象或灾害的防治提供理论依据和基本方法，确保巷道施工和运营的安全。可见，本研究成果不论在当前矿井建设期间还是将来的矿井投产期间都具有重大的应用价值，带来重大的经济效益和安全效益。

8.2具有深远的理论价值

伊犁矿区地层属于弱胶结软岩，这是在我国西部矿区白垩系、侏罗系地层中广泛存在的一类特殊软岩。由于西部特殊的成岩环境和沉积过程，形成了其独特的物理力学性质。其典型特征是强度低、胶结差、易风化、遇水泥化。力学性质不稳定、本构关系非常复杂，干燥或天然无水状态下属于岩石；遇水后易崩解，随着含水量的增加逐渐向土体性质转移，在饱和状态下有的甚至就变成泥砂土。正由于其强度低、岩石颗粒之间的胶结物黏聚力小、岩石取芯率低、试验难度大，所以研究成果非常很少。

因为对弱胶结软岩的力学性质、变形规律、破坏机理开挖扰动力响应等特性研究很少，远远满足不了工程建设的要求。因此，这类软岩巷道的开挖、支护设计缺乏理论依据，经常出现冒顶、塌方事故，严重威胁生产安全，巷道建设成本和维护成本大幅度上升，这是我国煤矿西部开发中遇到的新难题。

马腾（1986—），男，山东新泰人，新汶矿业集团（伊犁）能源开发有限责任公司一矿安全调度室副主任，助理工程师，主要从事矿井建设工作。