受二次动压影响大断面巷道强力锚杆支护技术

郜建国

（山西焦煤集团公司技术中心，山西 太原 030053）

受二次动压影响大断面巷道强力锚杆支护技术

郜建国

（山西焦煤集团公司技术中心，山西 太原 030053）

针对12211轨道顺槽受相邻工作面和本工作面的强烈采动影响，造成巷道围岩变形、破坏严重的情况，结合现场实际条件，采用现场调查、工程类比、理论分析及矿山压力观测相结合的研究方法，应用强力锚杆、金属网、钢带及锚索对巷道进行组合支护，有效地控制了巷道围岩变形，实现了煤巷安全高效掘进，取得了显著的技术经济效益和社会效益。

二次动压；大断面巷道；强力锚杆；支护

屯兰矿南二盘区受二次动压影响的12211工作面运输顺槽，由于受到比较强烈的采动影响，造成巷道围岩变形、破坏严重，需要多次维修与翻修，支护费用高，安全得不到保证。原巷道采用一般的锚杆支护技术已不能满足安全、生产的要求。本文结合现场实际条件，采用现场调查、工程类比、理论分析及矿山压力观测相结合的研究方法，应用强力锚杆、金属网、钢带及锚索对巷道进行组合支护，有效地控制了巷道围岩变形，实现了煤巷安全高效掘进，取得了显著的技术经济效益和社会效益。

1 支护方案

1.1 巷道围岩条件

巷道断面特性：南二盘区12211工作面运输顺槽断面形状为矩形，净宽4.2 m，净高3.0 m，净断面积12.6m2。

围岩条件：顺槽布置在2号煤层中，沿煤顶掘进。该工作面内2号煤层与3号煤层合并，平均厚度为4.52m，普氏硬度f=2，煤层结构为3.11（0.67夹石）0.74m，夹石为泥岩。煤质为焦煤。煤层倾向南东，倾角1°～8°，平均倾角为3°。

煤层直接顶为灰色细砂岩，质较硬，普氏硬度f=5，稳定性差，属复合顶板，厚度0～2.5m，伪顶为黑色泥岩，性脆，抗压强度差，普氏硬度f=3，厚度为0.5 m。老顶为灰白色粉砂岩，硅质胶结，厚度为5.70m。

煤层直接底为深灰色砂质泥岩，厚度为0.85 m，普氏硬度f=3。老底为浅灰色粉砂岩与细砂岩互层，厚度为4.50m。

该工作面地质构造简单，煤层整体呈一向南倾斜的向斜构造，向斜轴位于工作面中部，东翼倾角1°～8°，西翼倾角1°～5°。有两个小型断层，断层落差分别为2.0m和2.5m，都为正断层，对掘进和回采影响不大。

巷道没有进行过原岩应力测量，但从井下实际情况分析，巷道压力较大，特别是构造应力有可能占主导地位。此外，该巷道要受到两次强烈的采动影响，动压影响剧烈。

1.2 巷道锚杆支护初始设计

1.2.1 支护材料及施工机具

a.支护材料。巷道设计选用了强力锚杆系列材料，包括强力锚杆杆体和附件，低粘度、高强度树脂锚固剂，强力W钢带。杆体为左旋无纵肋螺纹钢筋，杆尾螺纹段采用滚压工艺加工。

强力锚杆是指杆体破断力在300 kN以上的锚杆。对于直径22 mm的BHRB600型钢筋，屈服力达235.6 kN，破断力达311.6 kN；对于直径25 mm的强力锚杆，屈服力达300 kN以上，破断力达400 kN以上。

b.施工机具。巷道顶板采用MQT-120型气动锚杆（索）钻机打锚杆（索）孔及搅拌树脂锚固剂卷；巷帮采用大扭矩气动式钻机打锚杆孔及搅拌树脂锚固剂卷。锚杆预应力应达到杆体屈服强度的30%～50%。根据换算关系，锚杆的预拧紧力矩应达到300～600N·m，因此，选用了高预应力、强力锚杆支护配套的锚杆张拉器，额定张拉力达120kN，实现了高预应力。此外，由于锚索直径和吨位的大幅度提高，要求施加的预紧力也明显提高，选用了与强力锚索配套的锚索张拉设备。优选大扭矩预紧扳手，确定最大扭矩在3000～4000N·m的预紧扳手能够满足锚杆螺母安装扭矩500～800N·m的需要。

1.2.2 锚杆支护初始设计

巷道原支护设计参数：顶板每排打设5根φ20×2 400 mm的锚杆，锚杆排距为900 mm；巷帮每排打设6根φ18×2 400 mm的锚杆。每1 800 m顶板布置三排锚索。顶板采用钢筋托梁和金属网护顶，巷帮采用塑料网护帮，并在采空区一侧帮每1 800 mm打设一根锚索护帮，配合钢筋托梁。

经计算及数值分析，确定屯兰矿12211轨道顺槽采用树脂加长锚固强力锚杆锚索组合支护系统。

a.顶板支护。锚杆形式和规格：杆体为25号左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4 m，杆尾螺纹为M27；锚固方式：树脂全长锚固，采用三支锚固剂，一支规格为K2835型，二支规格为Z2860型。钻孔直径为34 mm，锚固长度为1 200 mm；W钢带规格：W钢带宽度250 mm，厚度5 mm，长度3.8 m；托板：采用拱型高强度托盘，托板规格为150 mm×150 mm×12 mm；锚杆角度：靠近巷帮的顶板锚杆安设角度为与垂线成15°；网片规格：采用金属网护顶；锚杆布置：锚杆排距1.0 m，每排4根锚杆，间距1.2 m；锚索：单根钢绞线，φ17.8 mm，长度6.3 m，加长锚固，采用三支锚固剂，一支规格为K2335，两支规格为Z2360。锚索每排1根，排距为2.0 m；锚索托板：采用规格为300mm×300mm×16mm的钢板。

b.巷帮支护。锚杆形式和规格：杆体为22号左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.2 m，杆尾螺纹为M24；锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂，一支规格为K2335型，另一支规格为Z2360型。钻孔直径为30 mm，锚固长度为1 200 mm；W钢带规格：W钢带宽度250 mm，厚度3 mm，长度2.6 m；锚杆角度：靠近顶底板的巷帮锚杆安设角度为与水平线成10°；网片规格：采用金属网护帮；锚杆布置：锚杆排距1.0m，每排3根锚杆，间距1.2m。

2 井下施工和矿压监测

2.1 井下施工工艺

施工工艺包括掘进和支护两大部分。

掘进机掘进流程是：先从左上帮定位切割煤帮，直至底板。然后从左到右，从下向上切割破碎中间部分，再切割右帮，最后将巷道轮廓进行修整。

顶板支护的施工工艺流程为：挂钢筋梯—临时支护—钻顶板中部锚杆孔、挂金属网、清孔—安装锚杆、拧紧螺母—钻顶板中旁锚杆孔、清孔—安装锚杆、拧紧螺母—临时支护改位—钻顶板边锚杆孔、清孔—安装锚杆、拧紧螺母—钻顶板边斜（角）锚杆孔、清孔—安装锚杆、拧紧螺母。

两帮的锚杆支护一般落后于工作面一定距离和破煤运煤平行作业，施工步骤与顶板支护基本相同。

2.2 矿压观测

从2005年9月～2007年10月在现场进行了巷道围岩变形观测。

a.监测内容。12211轨道顺槽受相邻工作面和本工作面的采动影响，围岩应力集中，变形较严重。为了及时掌握并对比两种支护形式下巷道的变形情况，在顺槽内140m～900m之间共安设12组测站，每组测站包括一个在线顶板离层仪和一组表面位移测站。

b.监测结果。在巷道前700m，测得顶板下沉量在166～257mm之间，两帮位移量在101～487mm之间，巷道顶板和两帮都有较大变形；在巷道700 m往后，测得顶板下沉量在10～85 mm之间，两帮位移量在73～106mm之间，巷道顶板和两帮变形基本都在100mm左右，巷道保持稳定。

从以上矿压观测数据可以看出，高预紧力强力锚杆支护顶板不但控制了顶板的变形，还有效地控制了巷道两帮的强烈变形。巷道两帮收敛量在最大时为106mm，为巷道宽度的2.4%；在地质条件较好区段，巷道两帮收敛量为73 mm，为巷道宽度的1.6%；而采用的普通高强锚杆支护顶板时，巷道两帮收敛量在最大时为487 mm，为巷道宽度的10.8%；在地质条件较好的区段，巷道两帮收敛为101 mm，为巷道宽度的2.3%。

3 技术经济效益分析

3.1 技术效果

12211工作面轨道顺槽采用北京开采所最新研制开发的高预紧力强力锚杆锚索支护系统，成功地对大断面巷道进行了支护。在锚杆排距放大到1 000 mm，间距放大到1 200 mm的情况下，巷道顶板和两帮变形量显著减小，并处于稳定状态，为工作面正常推进创造了非常有利的条件，取得了显著的技术效果。

3.2 经济效益

直接经济效益包括巷道支护材料费用和巷道维护费用。采用高预紧力强力锚杆锚索支护系统，支护材料费用明显低于原高强锚杆支护。同等条件下（巷道断面规格及围岩类别），锚杆支护材料费用一般可比原有锚杆支护材料费用低10%～20%。巷道断面越大，高预紧力强力锚杆锚索支护系统的优越性越明显。经计算原设计支护形式每米材料费为1 891.06元，而采用强力锚杆支护形式每米材料费为1865.08元，每米节约支护材料费用25.98元。巷道维修费用如按新掘支护材料费用的50%计算，维修费用则高达945.53元。然而，新的锚杆支护形式少打一根锚索，可提高巷道掘进速度；采用高预紧力强力锚杆锚索系统进行支护，巷道变形量非常小，在服务年限内基本不用维修。综上所述，采用高预紧力强力锚杆每米巷道节省费用971.51元。

间接经济效益主要体现在有利于矿井实现高产高效。煤巷采用高预紧力强力锚杆锚索支护系统后，不仅改善了工作面顺槽支护状况，避免了动压条件下巷道维修，为矿井工作面快速推进创造了有利条件，减少了材料运输量。巷道掘进速度仍保持在500m/月。工作面煤炭单产提高10%，年多产煤炭10余万t。

4 结论

针对屯兰煤矿强烈动压巷道条件，提出高预应力、强力锚杆支护理论。其显著的特点是大幅度提高锚杆支护的刚度与强度，采用高预应力、强力锚杆支护系统，实现一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。设计的原则是一次支护原则，避免多次维修；高预应力和预应力扩散原则；“三高一低”原则（即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度）；临界支护强度与刚度原则及相互匹配原则。是一种非常适合屯兰煤矿强烈动压条件下巷道围岩条件的支护系统。

采用最新研制的支护材料。强力锚杆专用钢材－左旋无纵筋螺纹钢，并专门配钢，达到超高强度级别。钢的牌号BHRB600，屈服强度为620MPa，破断强度为800MPa。达到合理科学的匹配。同时，使用了φ18.6 mm的强力锚索及其配套的施工设备，其中锚索的破断力可达40t，延伸率可达4.5%。

井下试验证明，高预应力、强力锚杆锚索支护系统控制围岩变形能力强，在临近采空区还没有稳定的情况下掘进巷道，有效地控制了围岩强烈变形，巷道两帮收敛量控制在300 mm以内，为巷道宽度的6.7%左右。同时顶板总离层量控制在50 mm以内，支护效果理想；而采用普通高强锚杆支护顶板时，巷道两帮收敛量在最大时为487 mm，为巷道宽度的10.8%。

Abstract:No.12211 track transportation tunnel suffers the severe mining effects from its own and its adjacent working faces,so deformation of surrounding rocks and severe destruction are caused.On the basis of actual condition,the study adopts comprehensive research methods,including:field survey,engineering analogy,theoretical analysis and pressure observing.The integrated supporting with strength bolt,metallic mesh,steel strips and cables effectively controls the deformation,realizes the efficient driving,and gains prominent technical,economical and social benefits.

Keywords:secondary dynamic pressure;large-section roadway;strength bolt;supporting

编辑：刘新光

Strength Bolt Supporting Technology in Large-section Roadway under the Secondary Dynamic Pressure

GAO Jian-guo

（Technology Center of Shanxi Coking Coal Group,Taiyuan Shanxi 030053,China）

TD672

A

1672-5050（2010）06-0061-03

2010-03-16

郜建国（1963—），男，山西长治人，采煤工程师，从事煤矿支护技术研究及技术管理工作。