不同注浆锚索直径对围岩变形的影响研究与应用

严跃龙

（永贵能源开发有限责任公司新田煤矿，贵州 毕节 551500）

围岩变形问题长期困扰着工程人员。部分学者基于弹塑性理论分析了深部巷道塑性区并优化了原始参数[1]。一些学者通过理论分析和数值模拟等手段，分析了软岩巷道围岩变形规律和变形破坏特征，对巷道支护方案进行了优化模拟[2-4]。但是软岩问题还未得到根本解决，许多问题还有待进一步地探讨[5-8]。本文基于永贵能源开发有限责任公司新田煤（简称“新田煤矿”）矿1404 工作面，研究不同注浆锚索直径情况下，工作面前方不同位置处位移、应力等参数变化。以期为注浆锚索在煤矿巷道掘进围岩支护中的应用提供借鉴。

1 工作面概况

1404综采工作面煤层总体呈0～10°单斜构造，地质条件较简单，本工作面沿煤层倾向俯采有宽缓起伏和小褶曲。相邻巷道共揭露落差较大断层3 条，其中F1402-2断层落差较大，断层两盘岩层倾角变化大，对回采影响较大，该断层在1404轨道顺槽亦曾揭露。煤层顶底板构造如表1所示。

表1 煤层顶底板情况表

2 原超前支护方案与锚注性分析

2.1 原超前支护方案

1404 运输巷沿煤层顶板掘进，巷道全长1 187 m，埋藏深度约为450 m。断面为矩形断面，设计净宽为4 800 mm，净高为3 000 mm。

顶板支护用φ22 mm×2 500 mm高强锚杆，锚杆间排距850 mm×800 mm，每根锚杆配MSCK2835 树脂锚固剂1 支与1 支MSZ2835 树脂锚固剂；帮部支护选用φ22 mm×2 000 mm 高强锚杆，锚杆间排距840 mm×800 mm，每根锚杆配备MSCK2835 树脂锚固剂1 支与MSZ2835 树脂锚固剂1 支；钢筋网用φ6.5 mm 钢筋焊接而成，规格1 000 mm×2 000 mm，网与网之间采用14#铁丝双股双面连接绑扎牢固，绑扎间距200 mm，网与网之间搭接100 mm；W 钢带规格为4 600 mm×250 mm×5 mm，锚杆托盘规格为150 mm×150 mm×8 mm；锚索用φ21.6 mm×8 200 mm 钢绞线制作而成，间排距1 700 mm×1 600 mm，每根锚索配备MSCK2835树脂锚固剂1 支和MSZ2835 树脂锚固剂5 支，锚索托盘为钢板加工，锚索外露长度150～250 mm。支护剖面图如图1所示。

图1 1404运输巷超前单体支护剖面图（单位：mm）

2.2 1404运输巷锚注性分析

针对顶板φ22 mm×2 500 mm 的高强锚杆和帮部φ22 mm×2 000 mm高强锚杆，采用拉拔设备进行了锚杆索锚固力监测，顶板锚杆和帮部锚杆各进行了4 次拉拔试验，每根锚杆配MSCK2835 树脂锚固剂与MSZ2835树脂锚固剂各1支。得出顶板锚杆的拉拔力分别为150 kN、155 kN、155 kN、150 kN，平均拉拔力为152.5 kN，满足顶板锚杆设计预紧力150 kN要求，合格率100%；得出帮部锚杆的拉拔力分别为110 kN、105 kN、105 kN、100 kN，平均拉拔力为105 kN，满足帮部锚杆设计预紧力100 kN要求，合格率100%。

受1404底抽巷水力冲孔影响，1404运输巷围岩较为破碎，结构不完整，围岩节理裂隙发育丰富，具有良好的可注性。根据现场已施工的注浆锚索注浆情况：巷道围岩条件良好时每孔可注浆料50～100 kg，浆液扩散良好；巷道围岩条件破碎时每孔可注浆料250 kg以上，深部围岩存在跑浆情况。

3 不同注浆锚索直径下超前段围岩变形控制效果

据实际煤层埋深以及岩层分布情况建立数值计算模型。模型在空间上分x、y、z三个方向，与实际开采情况比较，工作面推进方向在模型中为x方向，工作面走向方向为y方向，竖直方向为z方向，模型在空间尺寸上x方向64.8 m，y方向200 m（x和y组成水平面），z方向为60 m。模型计算采用摩尔——库仑准则计算，数值模拟计算模型的岩体力学参数如表2所示。

表2 数值模拟计算模型的岩体力学参数

当注浆锚索直径为22 mm 时，回采工作面煤壁处巷道垂直位移云图如图2所示。从图2中可得，当注浆锚索直径为22 mm 时，工作面煤壁处巷道顶板最大下沉量为91 mm，底鼓量最大为150 mm。

图2 φ22 mm注浆锚索工作面煤壁围岩垂直位移

为更加直观反映不同注浆锚索直径下的围岩控制效果，对模拟云图中相关参数值进行提取，得到不同注浆锚索直径下的顶板下沉量、巷道回采侧变形量，其中回采侧变形量模拟结果统计如图3所示。

图3 不同注浆锚索直径下巷道围岩和顶板下沉量

随着超前工作面距离的增加，巷道超前段回采侧变形量先增大后减小，峰值位于超前工作面5 m 处。顶板变形量随着超前工作面距离的增加不断降低。锚索直径从14 mm 增加到22 mm 时，顶板变形量最大降低37 mm，降低幅度达到了34%（超前工作面距离为5 m 时）。回采侧变形量最大降低29 mm，降低幅度达到了35%（超前工作面距离为5 m 时），表明采取更大直径的注浆锚索可改善巷道围岩变形控制效果。

4 现场验证及支护方案优化

根据工作面的推进情况，设计在距离1404工作面的切眼250 m 处布置一个200 m 的测试段。试验段分为A、B 和C 三部分。试验段A 中的锚索直径为14 mm，试验段B 中的锚索长度为18 mm，试验段C 中的锚索宽度为22 mm，试验方案如图4所示。

图4 1404运输巷工业性试验方案示意图

掌握工作面矿压规律是巷道支护设计和确保矿井安全生产的前提和基础。通过对巷道围岩变形和锚杆（索）应力的监测分析，能够获得工作面开采过程中围岩压力的变化规律，为注浆锚索代替单柱超前支护方案的参数确定和优化提供了依据。对1404 工作面运输顺槽超前支护段锚索受力情况进行观测。利用压力计测量其受力大小，锚杆（索）受力监测采用MCS-400矿用本安型锚杆（索）测力计，1404工作面运输顺槽超前区支承压力分布规律与模拟结果基本一致。表明使用更大直径锚索能够改善围岩附近变形效果。

根据不同支护参数超前段围岩变形控制效果模拟结果，结合1404 运输巷现场顶板情况，考虑浆液扩散半径的影响，确定了工作面注浆锚索超前支护初步方案：巷道顶板每排布置3根注浆锚索，锚索间排距初步定为1 700 mm×1 600 mm。注浆锚索规格为φ22 mm×8 500 mm，锚索垂直于顶板布置。采用MSCK2835（里段1根）、MSZ2835（外段5根）树脂锚固剂进行锚固；锚索预紧力不低于200 kN；采用规格为300 mm×300 mm×16 mm高强度鼓形托盘。可根据现场地质条件及支护效果对支护参数进行优化。

巷道回采侧布置φ22 mm×2 500 mm 的高强锚杆护帮，间排距840 mm×800 mm；非回采侧布置φ22 mm×4 250 mm的注浆锚索对巷帮进行注浆加固，间排距1 680 mm×1 600 mm。经过测量发现优化后的巷道顶板、两帮变形量均较之前有所降低。支护设计如图5所示。

图5 锚杆（索）测力计安装剖面图（单位：mm）

5 结论

对不同直径锚索下巷道围岩支护效果进行了数值模拟和现场验证，并依据研究结果优化了1404工作面巷道，得出以下结论：

1）在锚杆直径为18 mm 和22 mm 时，随着同工作面距离的增加，巷道超前段回采侧变形量先增大后减小，峰值位于超前工作面5 m 处。随着同工作面距离的增加，巷道超前段顶板下沉量和底鼓量逐渐降低，且底鼓量始终大于顶板下沉量。

2）锚索直径从14 mm 增至22 mm 时，顶板变形量最大降低37 mm，降低幅度达到34%（超前工作面距离为5 m时）。回采侧变形量最大降低29 mm，降低幅度达到35%（超前工作面距离为5 m时）。表明采取更大直径的注浆锚索可改善巷道围岩变形控制效果。

3）根据不同锚索直径顶板和回采侧围岩变形效果，结合现场实际情况，对1404 工作面巷道支护方案进行了优化。优化后巷道顶板和两帮变形量均有所降低。该研究为煤矿巷道支护提供一定借鉴经验。