预应力锚索支护技术在泥岩顶板巷道中的应用

摘 要：以平朔井工二矿21109主运巷施工条件为研究对象，探讨泥岩顶板巷道围岩变形破坏特征及其原因，理论分析高强度预应力锚索支护技术，设计合理的泥岩顶板支护方案，成功地运用于工程实践，取得了良好的应用效果。

关键词：预应力锚索；泥岩顶板；支护技术；围岩变形

泥岩顶板巷道的围岩稳定性控制一直是顶板管理的难点和重点。此类巷道顶板通常具有黏聚力弱、节理和裂隙发育、强度低等特点，特别是在水、风等因素影响下，泥岩孔隙率提高、整体力学性质下降，对于当前普遍采用的锚网支护巷道影响甚大，巷道开挖后永久支护不及时极易出现顶板离层、下沉，甚至局部冒落。因此，研究一种科学有效的支护方式对于解决该类条件下巷道的支护问题非常重要。

1 工程概况

21109主运巷沿11煤层底板掘进，矩形断面，巷道规格5×3.5（宽×高）=17.5m2。11#煤层厚平均3.8m，煤层倾角平均3°，老顶以细粒砂岩为主，平均厚3.1m；直接顶以砂质泥岩为主，平均厚4.18m；底板以粉砂岩为主，平均厚7.49m。巷道采用锚索网联合支护形式。巷道设计施工长度1605m，掘至1500m及拐弯掘进320m长21109工作面切眼时，遇到1.5m厚泥岩直接顶，导致原2.4m长顶锚杆支护不理想，锚固力差，有时需架11#工字钢棚辅助支护，掘进效率大大降低。

2 顶板围岩变形破坏特征及原因分析

2.1 泥岩顶板巷道围岩变形破坏特征

1）变形量方面：巷道围岩变形不同地段差异较大，浅部围岩裂隙发育变形量大，而深部围岩破裂较少变形量较小[ 1 ]。

2）变形速度方面：巷道开挖初期，围岩变形速度较大，随时间推移，速度逐渐降低，最后趋于平稳；淋水对顶板强度影响较大，围岩在变形速度趋于平稳后仍会长时间保持流变状态。

2.2 泥岩顶板变形破坏原因

1）围岩物理力学性质。21109工作面切眼附近区域顶板岩性主要为泥岩、砂岩和粉砂岩，局部有泥岩或炭质泥岩。顶板岩体结构松散，节理发育，强度低，且抗水浸和抗风化能力差，易软化；岩石抗压及抗变形能力差，顶板为不稳定岩层，属易冒落的松散顶板。

2）地质构造影响。21109工作面布置在断层附近，在掘进时共揭露断层10条，非常不利于巷道掘进和顶板管理。受断层影响，岩石裂隙发育，层间滑移构造较多，易形成导水通道，直接顶泥岩受水的弱化强度下降，使巷道变形加剧。

3 高预应力锚索支护设计依据

1）锚索预应力。锚索预应力一般为其拉断载荷的40%～60%。井工二礦锚索采用1×7结构的高强度低松弛钢绞线，公称直径17.8mm，拉断载荷353kN，设计预应力150～200kN。高预应力有利于锚固力的有效扩散，保持支护系统较高的支护强度、刚度，避免围岩离层、滑动，控制围岩初期大变形[ 2 ]。2）锚索长度。锚索应锚固在围岩内部相对较稳定的岩层中，确保锚固效果。实践证明，高预应力的短锚索支护效果比低预应力的长锚索支护效果好。井工二矿11煤巷道位于9煤采空区下施工，部分区域层间距2.1～4.8m，锚索长度有3.3m、4.3m两种选择。3）锚索密度。盲目增加锚索密度，会提高支护成本、增加支护时间、降低掘进工效。因此，应尽量提高单根锚索的预应力、强度，根据围岩力学性质，保证支护效果与安全，科学制定支护方案，降低支护密度，提高掘进单进水平。4）锚索布置方式。锚索垂直巷道表明布置时，预应力扩散与叠加效果最好，因此，井工二矿11#煤层倾角平均3°，属于近水平煤层，顶锚索设计垂直顶板布置。5）强破断力与高延伸率。锚索拉断载荷353kN，延伸率4%，能允许巷道围岩有一定的变形和整体位移，当围岩变形较大时，其高破断力可将软弱直接顶悬吊在深部稳定岩层中充分发挥深部围岩承载力，增强支护体稳定性[ 3 ]。

4 工程实践及应用效果分析

4.1 泥岩顶板巷道支护方案

1）短锚索顶板支护：将原Φ22×2400mm顶锚杆全部替换为Φ17.8×3300mm的短锚索，短锚索垂直顶板，每排6根，间排距900×1000mm；加长锚固，采用1支K2335和2支Z2360树脂药卷，锚固长1.4m，预紧力150kN；网片为Φ4mm钢筋焊接方格网，规格3000×1300mm；配合4800×280×10mm的W钢带护顶。

2）巷帮支护：采用Φ18m×1700mm圆钢锚杆，每排3根，间排距1200×1000mm；最上部锚杆与水平线10°夹角，其余垂直巷帮；托盘规格为200×200×8mm；网片为3000×1300mm菱形金属网；采用1支K2335树脂药卷，端锚，锚固长400mm；设计扭矩150N·m。

3）补强支护：根据顶板岩性及层间距变化，采用Φ17.8×4300mm/5500mm/7300mm钢绞线，垂直顶板布置，每排3根，间排距1800×2000mm；托盘300×300×12mm；加长锚固，采用1支K2335和2支Z2360树脂药卷，锚固长1400mm；初始锁定张拉力150kN；配合W钢带护顶。

4.2 应用效果分析

巷道矿压观测表明，采用预应力锚索技术后，泥岩顶板巷道维护较好，围岩变形得到有效控制。巷道开挖初期变形破坏剧烈、变形速度快，随时间推移，变形速度逐渐减小，15d后，围岩变形量趋于稳定，高强度的预应力锚索支护系统得到充分发挥，使得巷道顶板下沉量最大不超过180mm，两帮小于140mm，满足巷道正常使用。

5 结论

1）泥岩顶板巷道变形量呈现非均匀性，浅部围岩裂隙发育，深部围岩破裂较少；变形速度具有阶段性，巷道开挖初期，围岩变形速度较大，随时间推移，速度逐渐降低，最后趋于平稳。

2）泥岩顶板巷道破碎严重、锚杆支护效果差时，采用3.3m长短锚索替换锚杆支护，充分发挥短锚索预应力高、破断力强、延伸率大的优点，能够适应该类巷道围岩变形破坏特点。

参考文献：

[1] 马念杰，侯朝炯.采准巷道矿压理论及应用[M].北京：煤炭工业出版社，1995.

[2] 陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[3] 康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

作者简介：

薛李建（1986-），男，山西晋城人，助理工程师，2011年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，现在井工二矿从事安全管理相关工作。