锚杆预应力对巷道支护效果的影响

2020-10-16李政

机械管理开发 2020年10期

李政

（西山煤电西曲矿掘进二队，山西古交 030200）

引言

工作面巷道支护效果直接决定综采工作面生产和作业人员的安全性。在实际生产中，由于煤炭开采导致工作面顶板的应力平衡状态遭到破坏，进而出现巷道顶板坍塌、两帮出现片帮的现象，在制约工作面生产效率的同时严重威胁到作业人员的人身安全。本文以12207 工作面为例，其在实际生产中由于支护手段不合理，严重影响正常通风和开采的安全，虽然采用可注式支护能够使其巷道顶底板的变形得到好转，但是可注式支护导致回风巷道断面较小，在影响回风效率的同时影响工作面的正常运输[1]。因此，提出预应力锚杆支护的方式对巷道进行支护，并对其支护效果进行验证。

1 工程概况

某煤矿12207 工作面可开采煤层为2 号煤层，煤层平均厚度为8.78 m，煤层平均普式硬度为1.8。经探测，该工作面煤层属于稳定煤层，且煤层的厚度变化较小。12207 工作面煤层的顶底板情况如表1所示。

表1 12207 工作面煤层的顶底板情况

12207 工作面的走向长度为2 000 m，含有倾斜部分的长度为182 m，整个工作面倾斜部分的倾斜角度范围为24.5°～31°。本文着重以12207 工作面研究预应力锚杆支护对巷道支护效果的改善，并对其中预应锚杆支护工艺的实施以及预应力锚杆支护的现场试验进行监测。

2 预应力锚杆支护设计与实施

预应力锚杆支护是由钻孔穿过软岩层，预应锚杆的一端固定在工作面坚硬的岩层，预应力锚杆的另一端进行张拉操作，从而对巷道围岩起到稳定、固定作用。一般的，预应力锚杆支护能够对工作面围岩进行局部加固，提高锚杆支护的张拉作用，对层状岩层进行加固[2]。结合12207 工作面的顶底板情况，对其采用锚杆锚索联合支护方式，具体支护参数如下。

2.1 工作面锚杆支护参数的设计

2.1.1 顶板支护参数

顶板支护所采用无纵筋螺纹钢筋锚杆直径为22 mm，锚杆长度为2 400 mm，锚杆间排距为850 mm，锚杆间距为900 mm，工作面顶板每排锚杆的数量为5 根。顶板锚杆采用锚固剂对锚固进行加长，其中所采用锚固剂的类型为K2335 和Z2360。经锚固剂加长处理后锚固的长度为1 654 mm。为保证锚杆支护的效果，为其施加400 Nm 的预紧扭矩。而且，顶板锚杆的与锚杆相匹配的锚索的直径为17.8 mm，锚索长度为7 300 mm，锚索的间排距为1 800 mm，同样采用树脂卷对锚索锚固进行加长处理，所采用锚固剂的类型分别为K2335 和Z2360，经锚固加长处理后锚固的长度为1 860 mm，为锚索所施加预紧力的大小为180 kN。

此外，针对顶板支护为其增加W 钢带和菱形金属网的支护方式。

2.1.2 巷帮支护参数

巷帮支护采用无纵筋螺纹钢筋锚杆的直径为20 mm，锚杆长度为2 000 mm，锚杆间排距为800 mm，锚杆间距为900 mm，工作面顶板每排锚杆的数量为4 根。顶板锚杆采用锚固剂对锚固进行加长，其中所采用锚固剂的类型为K2335 和Z2360。经锚固剂加长处理后锚固的长度为1 300 mm。为保证锚杆支护的效果为其施加400 Nm 以上的预紧扭矩。

此案为，针对巷帮支护还需采用W 型钢护板和菱形金属护帮进行加固支护。

12207 工作面的整体支护效果如图1 所示。

图1 12207 工作面预应力锚杆支护整体效果

2.2 预应力锚杆及施工工艺

针对12207 工作面的顶底板、地质以及水文等条件，本次支护方案所采用的无纵筋螺纹钢筋锚杆属于高强度、高刚度锚杆支护系统[3]，所选预应力锚杆支护的构件如图2 所示。

图2 预应力锚杆支护系统结构

锚杆支护工艺:结合常规锚杆支护工艺的步骤，对于预应力锚杆支护需经历如下施工步骤：钻巷道顶板中部锚杆孔（采用Φ28 mm 的钻头完成钻孔，将锚杆孔的误差控制在50 mm 以内）- 装树脂卷- 装全套锚杆- 搅拌药卷（搅拌15 s 后停机）- 搅拌机停机（需保持较大的推力）- 紧固螺母（根据预紧扭矩值上紧螺母）。

锚索支护工艺：定锚索眼位- 打锚索眼（使用Φ28 mm 的钻头）- 清理锚索眼- 将树脂卷放入锚索眼中- 搅拌25 s 左右并停机后保持推力60 s- 紧固锚索[4]。

3 预应力锚杆的支护效果

为综合评估预应力锚杆支护效果，本文在12207 工作面巷道设置3 个监测站分别对巷道表面位移、顶板离层量、锚杆受力以及锚索受力情况进行监测。其中，巷道表面位移采用十字布点法进行测量，包括有顶板、两帮的移近量以及顶板的下沉量；采用离层指示仪对巷道顶板的离层量进行监测；采用CM-300 测力计对锚杆受力进行监测；采用GYS-500 测力计对锚索受力情况进行监测[5]。此处仅对巷道顶板采用普通锚杆和预应力锚杆支护的顶板离层量进行对比研究，对比结果如图3 所示。

图3 普通锚杆与预应力锚杆支护下巷道顶板离层量对比

如图3 所示，顶板离层量包括有深部离层量和浅部离层量。原支护采用普通锚杆支护，其对应的深部顶板离层最大值为170 mm，浅部离层最大值为110 mm，总的顶板离层量280 mm；新支护采用预应力锚杆支护，其对应的深部顶板离层最大值为80 mm，浅部离层最大值为45 mm，总的顶板离层量125 mm。经对比分析可知，采用预应力锚杆支护后对应顶板的离层量降低约55.3%。

此外，经核算可知采用预应力锚杆支护后可提升巷道的掘进速度，巷道后期的维修费用明显降低。