高预应力锚网索支护技术在回采巷道的应用

(煤炭科学技术研究院有限公司 检测分院井巷所，北京 100000)

1 工程背景

某矿81303工作面煤厚5.7～7.3 m，平均6.55 m。煤层直接顶为黑色泥岩，厚度约1.09 m，老顶为石灰岩，由2～4层灰岩夹泥岩组成，裂隙较发育，厚度为11.75 m；煤层伪底为泥岩，厚度为0.05～0.10 m，直接底为砂质泥岩，裂隙发育，厚度为3.59 m。81303工作面低抽巷设计长度1 600 m，位于煤层上方约10 m，与回风巷间水平距离40 m，沿石灰岩中部泥岩掘进，为岩石巷道。

2 高预应力支护系统

2.1 作用机理

高预应力支护主要目的在于控制锚固区内围岩的滑动、离层、新裂纹产生、裂隙张开等扩容破坏与变形，从而增强围岩自身的抗压强度，改变围岩的受压状态，有效抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，最大限度地保持锚固区围岩的整体性，提高锚固范围内围岩的整体稳定性和强度[1，2]。与传统被动支护相比，增大了支护对围岩错动、离层、滑动的抑制作用，极大地发挥了主动支护作用； 其次，在锚固区内形成刚度较大的次生承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，有利于改善围岩深部的应力分布状态，能形成的承载结构更大。

2.2 支护方案及参数设计

由于锚杆预应力的大小对支护效果非常重要，但单根锚杆预应力的作用范围很有限，必须通过托板、钢带和金属网等配件将锚杆预应力扩散到离锚杆更远的围岩中。通过数值模拟分析，并结合工程实践经验，确定81303工作面低抽巷采用高预应力锚杆、锚索组合支护系统进行采空侧巷道支护。

2.2.1 顶板支护

顶锚杆使用20#左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，长度2.0 m，钢号335号，锚杆尾部螺纹为M22。锚固剂规格为MSCKb2360。钻孔直径28 mm，锚固长度为800 mm，设计锚固力强度不低于110 kN。锚杆配件采用高强锚杆配套螺母M22，采用高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托板采用拱型高强度托板，高度不小于36 mm，托板尺寸大小为150 mm×150 mm×10 mm，承载能力不小于155 kN。钢带采用W钢带，钢带长度3 700 mm，宽度280 mm，厚度4 mm。巷顶铺设菱形网，材料为10#铁丝，网孔规格40 mm×40 mm，网片规格5 000 mm×1 100 mm，两网之间搭接宽度100 mm，采用16#铁丝联接，双边双丝梳辫法孔孔相连，并且不得少于3扣。每排布置5根顶锚杆，锚杆间距875 mm，排距1 000 mm。锚杆预紧扭矩不得小于400 N·m，不大于500 N·m。锚索规格为1×7股的Φ17.8 mm高强度低松弛预应力钢绞线，长度5 200 mm，钻头直径28 mm。采用规格为MSK2860树脂锚固剂，锚固长度为1 360 mm。锚索托板配套300 mm×300 mm×16 mm可调心高强度托板及配套锁具，高度不低于65 mm，承载能力不低于350 kN。顶锚索每间隔一排布置2根锚索，锚索间距1 700 mm，排距2 000 mm，要求锚索预紧力超张拉至230 kN，损失后不低于180 kN。

2.2.2 巷帮支护

帮锚杆采用20#左旋无纵筋螺纹钢锚杆，长度2.0 m，钢号为335号，锚杆尾部螺纹为M22。采用MSCKb2860树脂锚固剂，锚固长度为800 mm，帮锚杆设计锚固力不小于105 kN。配件使用高强锚杆螺母M22，配套高强托板、尼龙垫圈和调心球垫，托板采用高强度拱型托板，高度不小于36 mm，托板尺寸不小于150 mm×150 mm×10 mm，设计承载力不小于154 kN。帮托板采用W钢护板护帮，钢护板长450 mm，宽280 mm，厚4 mm。巷帮铺设菱形网，金属网材料为10#铁丝，网片规格5 000 mm×1 000 mm，网孔规格50 mm×50 mm，两网间搭接宽度不少于100 mm，采用16#铁丝联接，双边双丝梳辫法孔孔相连，且不得少于3扣。巷帮每排布置3根帮锚杆，锚杆间距1 000 mm，排距1 000 mm，锚杆预紧扭矩不小于400 N·m，不大于500 N·m。

3 矿压显现规律及支护效果评价

高预应力锚杆支护工艺从2018年8月7日夜班开始，试验地点从81303低抽巷约890 m处开始，截至2018年11月20日，施工了105 d，掘进325排，约300 m。同时进行了2个测站的安装和监测工作，第一测站位于新支护掘进的70排处，第二测站位于新方案掘进的150排处，每个测站监测内容包括：巷道表面位移量、锚杆锚索受力监测。1#测站表面位移监测曲线如图1所示。

图1 1#测站表面位移监测曲线

通过1#测站的表面位移监测可知，巷道两帮的最大变形量为47 mm，顶板的最大变形量为31 mm。总体来看，巷道整体变形相对于巷道断面尺寸变形量比例较小，能满足当初预计的变形要求。从变形时间来看，巷道的变形量主要集中在掘进工作面30 m范围内，超过此范围巷道的变形量趋于稳定，巷道围岩变形量和变形速度较小。

4 结语

通过对81303工作面低抽巷高预应力施工工艺的应用，将原来圆钢锚杆改为335号螺纹钢锚杆，锚杆预紧力矩从150 N·m增加至400 N·m，锚索预应力从150 kN增加至230 kN，在巷道掘进初期能够给围岩施加相应的高预应力，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，发挥主动支护作用，巷道顶板和两帮得到有效控制，保证了巷道支护的效果。在此基础上，巷道支护排距从0.9 m提高至1.0 m，支护密度降低，实现了高强度、高刚度、高可靠性和低支护密度“三高一低”支护理念和安全、经济与合理的设计理念，开辟了相邻采空侧巷道支护的新思路，在矿区相邻采空侧巷道支护技术优化进程中具有非常积极的意义。