薄煤层巷道跨界锚固理论及支护参数优化

薄煤层巷道跨界锚固理论及支护参数优化摘要：本文结合工程实例，对赵官煤矿工程条件进行充分调研，通过跨界锚固理论对其围岩状况进行分析，提出支护优化方案，结合现场监测验证了巷道稳定性近年来，我国煤炭资源开采强度不断增加，采掘失衡导致的接续矛盾日益突出，成为生产矿井面临的基本矛盾。新汶矿业集团赵官煤矿同样存在严重的采掘失衡问题，不仅影响矿井安全生产，也制约了经济效益提升。系统性提升煤巷掘进理论与技术水平，对确保新矿集团各矿井安全、高效开采至关重要，有助于优化越来越多的工程实践表明1-33,复杂地质条件下，运用传统支护方案往往难以达到预期效果，暴露出传统支护理论的局限性。本项目结合61001E轨道巷的工程背景，开展支护技术创新研究及工程应用。通过创新支护方案，将致力于保障矿井安全，控制地表和巷道变形，降低支护密度，进而提高掘进速度。该技术的成功应用不仅能应对复杂的地质挑战，还能提升生产效率，为煤矿可持续发展提供技术支撑。61001E轨道巷位于赵官煤矿10号煤层六采区，用作矿内巷道。巷道坐落于井田的西南角落，与十层运输上山相接于西侧，北侧以61001E运输巷为邻，东侧则延至10号煤层变薄不宜采掘的边界。巷道开挖部分位于7号煤层第二个采区的顶部，这五个作业面均已完成采矿。巷道位于地下327.1～362.0m,直接顶为粉砂岩，平均厚度达到8.5m,其上岩石为泥岩，平均厚度约3.8m。底板主要由泥岩构成，平均厚度0.4m,其下为灰岩及粉砂岩，平均厚度分别为1.6m和4.4m。2跨界强化支护技术2.1巷道围岩圈层分布特征巷道开挖后，围岩应力将重新分布1⁴-5,不同位置的围岩因受力不同破碎程度不一致，并展现出独特的环状分布模式。根据矿井围岩裂隙分布特征，可将巷道围岩划分为连续变形圈、似连续变形圈和非连续变形圈。在非连续变形圈范围内，岩石的裂缝随着接近巷道而加剧，岩石的强度显著下降，结构完整性变差。似连续变形圈的岩石处于塑性变形阶段，裂缝不明显，承载能力较强。连续变形圈内的岩石，强度超过了所经验证，巷道的稳定性受非连续及似连续变形圈的形变破坏作用影响显著,故将此两类圈层视为支护重点，约束其形变发展。随着开采深度加大，巷道的裂隙圈逐渐增大，锚固也应该逐渐加长。如图1所示，同等条件下浅埋巷道的裂隙圈较小(<1.5m),2.0～2.5m的锚固长度即能起到限制巷道变形效果；中深巷道的裂隙圈达到1.5～3.0m,需要3.5～4.0m的锚固长度才能达到相似的支护效果；更深的巷道裂隙圈可能超过3.0m,需要超过4.0m的锚固长度。但是在锚杆支护技术发展历程中，锚固层深度常接近裂隙圈边界，这种“临界”或“界内”支护未能将裂隙圈与稳定圈锚为一体，常有失稳现象。00中深锚固长度位移/m深度/m+图1支护圈层厚度与锚固长度关系2.2跨界支护原则随着钻探深度提升以及巷道断面面积增长，传统的针对浅层、小断面巷道的锚固方法无法再确保巷道的稳定支撑。传统方法中，加固区域不足以及锚固点过于靠近裂缝边缘，此种情形下的支撑被称为临界支撑或边缘支撑。众多实证研究与工程实践均指出，细小的加固圈虽能增加支撑区域的强度与刚性，但其构建的承载面较窄，面对高强度的应力与大变形时抵抗能力有限。此外，这一薄弱的承载面与较深层的稳定围岩结合不够紧密，易在锚固区域外部产生离层。由于宏观上的形变与破坏累积效应显著,常伴随巨大形变，甚至导致失稳。提升支撑力度时，常采取提高支撑密集度的方式，造成锚固效果不佳。所以，使用锚杆支撑时，必须遵循跨领域支撑的准则。这一理念主张锚杆必须穿透那些决定性的岩层，构筑一个包含三层构造的大范围加固区。通过提升锚固层宽度，增加支撑结构稳固性与厚度，激发深层岩体的潜力，同时控制表层形变，实现对不同规模位移的协同抵抗，以及应对压力波动的能力。此外，支护设计穿过大型加固圈，有效减少支撑结构的密度，同时增大承载层的厚度，提升支撑效能。因此，此种支护方法在巷道的宏观破坏方面表现较小，累积变形较低，安全性显3支护参数优化方案3.1支护优化思路3.1.1高预紧长锚固技术采用超韧性的锚杆材料，构筑巷道顶部坚固的连续梁式锚固结构，这种技术被称为高预紧长锚固支护技术。超强柔性锚杆的工作效能在普通锚杆的三倍之上。普通锚杆难以构筑连续梁，而超强柔性锚杆的预紧长锚固技术是形成连续梁的必备条件。通过实施该支护技术，能够实现跨界支护，保障巷道稳定。若未能确保预紧力和锚固长度达到规定值，即便使用高强度锚杆支护，顶板的大规模形变和分层现象仍然难以避免，可能导致严重的安全隐患和工程风险。然而，在采用高预紧长锚固技术后，顶板构建了连续梁结构，有效限制了形变，使层间几乎不会出现不均匀变形。顶板在围岩压力作用下应力集中现象减少，仅出现少量下沉，确保整体的稳定(见图2)。3.1.2两节式、多段式锚杆采用高强度锚杆的杆体，屈服强度不低于会受巷道尺寸限制，能灵活适应不同工况。与之匹配备减摩垫片。如图3所示的双节锚杆拉拔试验结果显示：双节锚杆的套筒连接部分强度已经胜过锚杆主体，并未出现削弱现象，能够发挥高预紧力的支护作用。3.2支护设计验算3.2.1一级锚索长度按连续梁理论式(1)计算一级基础锚固锚索式中：L为锚索长度，m;w为水对围岩的影响因子，10煤围岩条件含水量极少，取0;r为顶板围岩自身性质的影响因子，考虑10煤直接顶为2.7m厚度的泥下的取0.1～0.3,故取0.15;L。为需要外露的张拉长则一级基础锚固锚索长度为3.67m。3.2.2二级强化支护锚索长度式中：L为锚索深入较稳定岩层的锚固长度，取2.0m;L为需要悬吊的不稳定岩层厚度，取2.7m;L为上托盘及锚具的厚度，取0.1m;L.为需要外露的张则二级强化支护锚索长度为5.1m。3.2.3参数验算10煤上层泥岩厚度3.8m,截割破底板泥岩厚度0.3～0.5m,截割破顶板泥岩厚度1.1～1.3m,直接顶泥岩厚度2.5～2.7m,新型支护方案中基础锚固采用φ22mm×3800mm锚索，二级强化支护采用中22mm×3.3支护参数优化方案综合考虑掘进效率与留巷安全，采用“大、小”循环作业工艺，小循环阶段完成一级跨界支护，此过程应该及时支护，加快支护，为巷道提供足够支撑；大循环下完成二级强化支护，此过程滞后支护。顶板采用短锚索+钢筋网联合支护形式。每排施工4间排距误差±100mm,在顶板悬挂两层网，下层为塑料网，上层为钢筋网。锚索预紧力不低于150kN在左侧围岩安装3根锚杆加固，右侧煤柱侧壁设置2根。右帮肩角布置1根Φ22mm3800mm短锚索。锚杆选用MSGLD335202000nm等强螺纹钢式树脂锚杆，间排距1000mm1000mm。左帮采用10#金属菱形网+一孔钢带护帮，右帮采用钢筋网护帮。锚索孔使用MSZ2335型锚固剂(6.8m锚索采用7支MZ2335型锚固剂，3.8m锚索采用5支MSZ2335型锚固剂),确保树脂锚固长度不低于孔深的1/3,锚杆锚固方式为加长锚固，两帮锚杆支护每眼使用2支MSK2835型锚固剂，确保树脂锚固长度不低于孔深的1/3支护如图4所示。21.6×3800锚索等强螺纹钢错杆图4一级跨界支护图一级支护基础上，为了增强支护效果，滞后补打了二级锚索。在顶板中部，施工2根锚索加强支护，锚索间距为2000mm,且间排距允许误差为±100mm。在排间交错位置压制两孔钢带，增加锚固的连接性，减少锚索的变形及应力集中现象。支护布局和构造细节如图5所示。等强螺纹钢锚杆4现场监测采用尤洛卡公司生产的矿用本安型锚杆(索)测力计及其配套的矿用本安型手持采集仪对顶板大锚杆的预拉力和工作阻力进行监测，结果如图6所示。锚索3缓慢增长快速基本0选取3根典型锚索监测数据分析，根据图6监测数据分析可知，顶板锚索轴力呈现一致性，在监测前40d内均处于轴力快速增长阶段，单根40d内增长超过50kN40~120d锚索轴力增速放缓，但依然有明显增长；120d后趋于稳