动压煤巷高预应力锚索支护技术应用探讨

赵靖源

（阳泉煤业（集团）有限责任公司一矿， 山西 阳泉 045008）

1 工作面及巷道概况

81206工作面位于+669开采水平的北翼十二采区。工作面地表位于虎玉沟以南，和尚沟以北，后地沟以东，西沟村以西。井下位于北丈八井81205工作面进风巷以东，81206工作面进风巷以西，荫营煤矿矿界以南，十二采区辅助轨道巷以北。巷道地面标高1 158～1 052 m，井下标高 711～733 m。81206工作面回风巷西侧为81205工作面采空区（2016年3月回采完毕），与81205进风巷之间煤柱净宽15 m，受采动压力影响，动压显现明显，为动压巷道。

81206回风巷用作本工作面回采时通风、行人、进料等，设计长度1060m，已掘进约600 m，预计服务4年。巷道布置在15号煤层中，沿15号煤层底板掘进，留顶煤；巷道坡度最大14°，最小2°，平均6°。

15号煤层俗称“丈八煤“，赋存较稳定，结构复杂，属中灰、中硫的优质无烟煤，煤层以镜煤、亮煤为主，内生裂隙发育，含少量黄铁矿结核。工作面煤层厚度7.1～7.5 m，平均7.3 m。煤层倾角最小2°，最大14°，平均约6°；煤层硬度系数约1.5，煤层层理、节理较为发育。

巷道直接顶为黑色泥岩，平均厚度0.9 m，致密、块状、质脆；基本顶为石灰岩、泥岩互层交错分布，总厚度平均约12.6 m，其中泥岩致密、块状、呈黑色，普氏硬度系数为3.0～4.0，石灰岩致密、坚硬，裂隙充斥方解石，灰黑色，普氏硬度系数为8.0～12.0；直接底为黑色泥岩，致密，含植物化石及黄铁矿，平均厚度0.4 m；基本底为深灰色细砂岩，成为以石英为主，含植物化石，平均厚度为4.8 m。

2 现有巷道支护效果

2.1 同类型巷道回采支护效果分析

参考15号煤层同类型道矿压显现情况。81209工作面正在回采，回风巷超前影响范围约150 m，巷道变形收缩严重，尤其顶板下沉和底板底鼓。最严重段回采面超前15 m范围内，顶底板高度不足2.0 m，两帮移近变形约1.0 m，巷道内布满液压支柱。部分锚索锁具下滑或锚索断丝，暂没发现锚索整体破断，有个别锚索破断；部分帮锚索槽钢弯曲折断，部分区段巷帮煤体从锚索托板四周鼓包变形。说明该条件巷道动压影响明显，巷道压力较大，支护较困难；另外，巷道底鼓严重，在进行支护时要加以重视。

2.2 相邻工作面动压煤巷掘进支护分析

据资料统计，已掘同类型相邻工作面81205回风巷矿压观测结果如下：顶底板最大移近量约1.0 m，其中顶板最大下沉量约100 mm，底板底鼓最大量约900 mm；两帮最大移近量达600 mm。同类型巷道在原支护参数下的矿压显现较明显，后续巷道设计应重新计算。

2.3 本工作面原支护效果分析

巷道为动压巷道，围岩压力较大，巷道变形显著，支护较为困难。巷道部分段顶板破碎，凹凸不平，局部出现鼓包和冒落；巷道两帮有一定变形，部分段帮锚索配套的槽钢弯曲折断，煤壁片帮、破碎，出现兜网和锚索后空现象，部分区段两帮变形达400 mm。分析可知，巷道两帮采用单体锚索配14号槽钢和平钢板，没有把锚索形成有效整体，护表效果差；加之锚索的预应力偏低，巷帮支护相对较弱。

3 新支护设计原则

1）一次支护原则。应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。

2）高预应力和预应力扩散原则。提高锚固体的整体刚度与完整性。

3）“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。

4）临界支护强度与刚度原则。设计支护系统的强度与刚度应大于临界值。

5）相互匹配原则。各构件参数与力学性能应相互匹配。

6）可操作性原则。

7）经济合理性原则。

4 新支护方案

考虑到生产的要求和巷道围岩变形预留量，设计81206回风巷净断面宽4 600 mm，高3 000 mm，净断面面积13.8 m2；掘进断面宽4 800 mm，掘进断面高3 100 mm，掘进断面面积14.9 m2。根据地质条件、优化数值模拟及工程实践经验，确定巷道采用高预应力全断面锚索支护系统进行支护。

4.1 顶板支护

锚索形式和规格：锚索材料为21.6 mm、17股高强度低松弛预应力钢绞线，长度6 200 mm。

锚固方式：树脂加长锚固，采用一支双速树脂锚固剂MSCK2340+Z2380，由一支规格MSCK2340和一支规格MSZ2380组合加工而成。钻头直径为30 mm，锚固长度1 500 mm。

钢带规格：采用W钢带，钢带宽度280 mm，厚度4 mm，长度4 400 mm。

网片规格：巷道采用经纬金属网进行护顶，材料为10号铁丝，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格5 200 mm×1 000 mm，网片采用搭接方式进行连接，搭接长度100 mm，采用16号铅丝联接，双丝双扣梳辫法隔孔相连，并不得小于3扣。

锚索托板：采用300 mm×280 mm×14 mm高强度可调心W型托板及配套锁具，托板高度不低于50 mm，两凹槽间距210 mm，托板承载能力不低于500kN。

锚索布置：每排6根，锚索间距800 mm，排距900 mm。

锚索角度：全部垂直岩面打设，考虑到施工需要，允许5°误差。

锚索预紧力：要求锚索初始张拉不低于250 kN，预紧力损失后不低于200 kN。

4.2 巷帮支护

锚索形式和规格：锚索材料为17.8 mm、17股高强度低松弛预应力钢绞线，长度为4 200 mm，钻头直径为30 mm。

锚固方式：树脂加长锚固，采用一支双速树脂锚固剂MSCK2340+Z2380，由一支规格MSCK2340和一支规格MSZ2380组合加工而成。钻头直径为30 mm，锚固长度1 100 mm。

钢筋托梁：采用直径14 mm钢筋焊接而成，钢筋托梁宽度210 mm，长度1 400 mm。

网片规格：巷道采用经纬网进行护帮，经纬网材料为10号铁丝，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格2 700 mm×1 000 mm，网片采用搭接方式进行连接，搭接长度100 mm，采用16号铅丝联接，双丝双扣梳辫法隔孔相连，并不得小于3扣。

锚索托板：采用300 mm×280 mm×14 mm高强度可调心W型托板和300 mm×300 mm×16 mm高强度可调心拱型托板，托板高度不低于60 mm，W型托板两凹槽间距210 mm，两种托板承载能力不低于350 kN。

锚索布置：每排3根，锚索间距1 000 mm，排距900 mm。

锚索角度：全部垂直岩面打设，考虑到施工需要，允许5°误差。

巷道断面支护布置如图1所示。

图1 巷道断面支护布置图

锚索预紧力：要求锚索初始张拉不低于200 kN，预紧力损失后不低于150 kN。

5 支护效果分析

新支护方案实行后，经过500 m的施工，巷道顺利贯通。通过近3个月的观测和统计，以及对锚索压力计和顶板离层仪数据的分析，巷道支护效果良好，巷道变形较小，支护效果达到预期。第一，由于锚索预紧力提高，有效地维护了顶板上部岩性及煤体的变形和离层。巷道顶板下沉量急剧减小，整体状况良好，平均下沉量仅为80 mm。第二，采用新型钢带后，护顶面积增加，尤其在动压煤巷的顶板维护上效果明显。第三，两帮采用全锚索支护后，支护力度明显增强，两帮的收缩开始减小，平均位移量在150 mm。第四，顶帮锚索受力平稳，局部顶锚索受力较大，整体上支护状态良好，杜绝了原支护工艺存在的锚索破断显现。第五，锚索排距增加10～20 mm，实现了高强度、高刚度、高可靠性和低支护密度“三高一低”支护理念。