高强度锚杆支护阶段:绿色矿山智慧矿山研究

为了解决枣泉煤矿原有支护形式不能满足二次动压影响及高地应力软岩等复杂困难巷道支护问题。通过地应力测试、钻孔窥视等方式确定合理的巷道支护参数，提高复杂困难煤巷支护质量。

2.2.1 高强锚杆支护技术路线

巷道围岩是一个极其复杂的地质体。它具有两大特点：其一是岩体内部含有各种各样的不连续面，如节理、裂隙等，这些不连续面显著改变了岩体的强度特征和变形特征，致使岩块与岩体的强度相差悬殊；其二是岩体含有内应力、地应力场的大小和方向都显著影响着围岩的变形和破坏程度。因此，一切与围岩有关的工作，如巷道布置、巷道支护设计，特别是锚杆支护设计，都离不开对围岩地质力学特征的充分了解。因此，需要采取地应力测试、钻孔窥视等方法对围岩进行全面了解，以确保支护方式及参数选取合理化。

2.2.2 地质力学测定

首先对本矿西翼采区（11采区）的11201工作面回风巷、皮带巷布置四个地应力测点，进行地应力测试。

地应力测量显示，枣泉煤矿西翼区四个测站应力场形式均为σHV型。在四个测站中，第三测站σH最大，为6.48MPa；第一测站σH最小，最小值为2.78MPa。四个测站侧压系数σH/σV分别为1.08、1.57、1.33和1.73。四个测站最大水平主应力方向分别为N13.6°W、N42.5°W、N80.1°W和N36.7°W。四个测站的围岩强度显示，四个测站巷帮煤体的平均抗压强度为19.94MPa。从巷道顶板来看，直接顶以泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩和砂岩为主，四个测站顶煤的平均抗压强度为17.91MPa，泥岩的平均抗压强度为24.16MPa，炭质泥岩的平均抗压强度为15.5MPa，粉砂岩的平均抗压强度在42.55MPa，砂质泥岩的平均抗压强度为34.08MPa，细砂岩的平均抗压强度在55.00MPa。

2.2.3 钻孔窥视情况

为了比较全面真实观察到煤岩体结构面发育与分布情况。在本矿东井（12采区）布置四个地应力测试孔，采用电子窥视仪对地应力测试孔进行了煤岩体结构的窥视。具体窥视结果如下：

第一测站窥视结果：顶板煤岩体在巷道顶板0.5m、1.4m、4.6m、5.7m和5.9m存在不同程度的破碎带，其中顶煤破碎较为严重。在7.7m处顶板岩块堵塞钻孔，在顶板7.7m以内其他观测段，煤层及岩层走向和倾向节理裂隙不发育，煤岩体结构比较紧凑节理裂隙分布不明显。

第二测站窥视结果：巷道顶煤破碎较为严重，在0.4m、1.6m、2.4m和2.9m存在破碎带。在顶板8.9m处存在少量环向裂隙。从总体上来看，巷道顶煤破碎严重，其他顶煤以上岩层完整性相对较好。

第三测孔窥视结果：巷道顶板煤体在1.2m存在破碎带，在4.3m、4.8m、6.0m和8.8m存在不同发育程度的环向裂隙，在一定程度上弱化了顶板岩层的强度，巷道围岩稳定性一般。

第四测站窥视结果：巷道顶煤破碎较为严重，在2.1m、3.7m和4.3m处存在明显的环向裂隙，在顶板3.2m和6.3m处存在破碎带，顶板稳定性相对较差。

从钻孔窥视的结果来看，各测站中巷道顶煤较为破碎，顶煤以上岩体不同程度的存在环向、纵向裂隙和破碎带，节理较为发育，顶板稳定性相对较差（图4、图5、图6、图7、图8、图9）。根据窥视结果为巷道顶板锚杆选择提供了可靠依据。

图4 顶板0.4m处破碎带

图5 顶板1.6m处破碎带

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图6 顶板2.4m处破碎带

图7 顶板2.9m处破碎带

图8 顶板5.4m处岩体

图9 顶板8.9m处环向裂隙

2.2.4 结合地质力学测试、钻孔窥视及理论验算支护参数

为了更加合理地确定巷道支护参数，利用地质力学测试数据及钻孔窥视情况，对支护参数采取了悬吊理论进行了计算校核。具体如下：

悬吊理论认为锚杆的作用是将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳定的岩层中，阻止软弱破碎岩层跨落。悬吊理论只考虑了锚杆的被动抗拉作用，根据不稳定岩层厚度计算锚杆长度，根据锚杆悬吊的不稳定岩层我们重点计算锚杆直径和间排距。

依据悬吊理论分析设计方法确定了本矿巷道支护参数，工作面顺槽巷道采用锚、网、索高强支护形式，顶板锚杆采用22#-M24-2500 BHR500高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距850mm×900mm；巷帮采用20#-M22-2000BHR500高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800mm×900mm；钢带采用W280×5型W钢带；顶板挂设Ф6.5mm圆钢焊接的钢筋网，巷帮挂设8#铅丝编制的菱形金属网；顶板均匀布置间、排距为1800mm×1800 mm单点锚索，锚索采用Ф21.98mm×8300 mm预应力钢绞线，锚索托板为300mm×300 mm×16mm高强锰钢托板（见图10）。

图10 高强锚杆支护断面图

2.2.5 改进支护参数后的支护效果

使用了高强支护参数后，巷道成型明显改观，巷道没有发生过片帮、冒顶事故，巷道顶板下沉、两帮收敛都在可控范围内。但在使用过程中发现300mm×300mm×16mm高强锰钢锚索托板对巷道顶帮控制效果不佳，易出现锚索之间掉包现象，单点锚索对巷道顶板整体控制效果差。为此，将单点锚索变更为锚索绗架，绗架梁采用11#矿用工字钢加工。单点锚索变更为锚索绗架后，巷道支护质量明显提高。

2.2.6 存在的问题

随着巷道施工距离加长，后巷压力重新分布，围岩压力显现越来越大，煤炮冲击现象频繁，巷道出现频繁断锚杆、锚索现象。后巷补打锚杆、锚索常态化，给安全施工带来不利因素。