坚硬顶板1-1022 巷锚网索梁主动控制技术研究

秦红强

（霍州煤电集团洪洞亿隆煤业有限责任公司，山西 临汾 041600）

井工开采矿井服务期内巷道的围岩稳定直接影响到矿井的安全高效开采[1-2]，专家学者提出了组合梁、压力拱、最大水平应力等理论假说，以及锚杆支护、架棚支护等联合支护技术，推动了巷道围岩控制理论和技术的发展[3]。高强度、高刚度、高预紧力锚杆支护和预应力锚索支护是实现巷道围岩主动控制的主要技术手段之一，广泛应用于国内矿井巷道支护，尤其是煤巷支护。“三高”锚杆支护可有效提高直接顶岩层力学性能，形成主动锚固控制区域，实现支护围岩共同承载。预应力锚索将锚杆锚固区域主动悬吊至稳定岩层，增强锚杆锚固强化区域范围，充分发挥基本顶岩层的承载能力[4-5]。

1 工程概况

亿隆煤业1-1022 巷服务于1-102 工作面，巷道设计长度650 m，担负着回风、辅助运输任务。巷道位于东梁村以东，地表为黄土丘陵和沟壑，黄土层厚度118～136 m，基岩厚度为170～210 m。巷道以西为1-101 工作面，以东为设计1-102 工作面，北部为轨道下山巷，南部为井田边界万安断层。巷道埋深410～430 m。1-102 工作面开采煤层厚度1.5～1.7 m，平均厚度1.6 m，倾角6°～8°，平均倾角7°，煤层结构简单、稳定。煤层直接顶岩层为5.5 m 厚的灰黑色砂质泥岩，岩性以石英为主，厚度增厚时相变为粉砂岩，次圆状波状层理，中间夹有两层煤线；基本顶岩层为6.5 m 厚的灰白色K8中砂岩，岩性以石英为主，含暗色矿物及煤屑，钙质胶结，致密坚硬；直接底岩层为5.0 m 厚的灰黑色泥岩和砂质泥岩互层结构，岩性以石英为主，性脆、质软，含植物化石碎片，断口平坦。

2 坚硬顶板下巷道主动控制可行性分析

主动控制是指巷道开挖后及时采用相应的技术手段对巷道表面围岩形成主动约束力，提高巷道围岩的力学性能，促使其形成稳定承载结构，充分发挥自身承载能力，从而实现巷道围岩的长时稳定控制，目前常用的技术手段有锚杆支护、预应力锚索支护等。1-1022 巷赋存较厚的坚硬顶板岩层可为巷道主动控制提供一定的基础，应充分利用其承载能力。

1-1022巷直接顶为5.5 m厚的灰黑色砂质泥岩，其强度较低，裂隙较为发育，受掘进影响易产生变形，因此采用高强度、高刚度、高预紧力锚杆实现主动支护，提高直接顶岩层力学性能，形成主动锚固控制区域，实现支护围岩共同承载。

1-1022巷基本顶为6.5 m厚的灰白色K8中砂岩，钙质胶结，致密坚硬，巷道支护时应采用预应力锚索将直接顶岩层形成的锚杆锚固区域主动悬吊至基本顶岩层，增强锚杆锚固强化区域范围，充分发挥基本顶岩层的承载能力。

3 锚网索梁主动支护技术

1-1022 巷设计掘进长度650 m，掘进断面为矩形，宽3.6 m，高2.7 m。基于坚硬顶板下巷道主动控制思路的分析，开发锚网索梁主动支护技术，以实现1-1022 巷围岩的稳定控制。巷道支护断面图如图1，具体支护参数如下。

（1）锚杆参数。锚杆采用L2.0 mΦ20 mm的左旋无纵筋高强锚杆。顶板锚杆间排距0.85 m×0.80 m，每排5根，中间3根锚杆垂直于顶板布置，两侧的2 根锚杆与顶板呈75°夹角布置，每根锚杆配套2 支树脂锚固剂，1 支CK2340、1 支Z2388，其中CK2340 靠近内侧，Z2388 靠近外侧，设计预紧力矩不小于280 Nm，锚杆外露10～50 mm；帮部锚杆间排距0.80 m×0.80 m，每排4 根，每根锚杆配套2 支CK2340 树脂锚固剂，设计预紧力矩不小于200 Nm，锚杆外露10～50 mm。顶板每根锚杆均配套使用规格为150 mm×150 mm×6 mm 方形高强托盘和相匹配的减磨垫片、螺栓。高强度、高刚度、高预紧力的顶帮锚杆可强化直接顶砂质泥岩力学性能，促使围岩形成主动控制锚固区域。

（2）锚索参数。顶板采用锚索加强支护，锚索采用规格L8.0 mΦ17.8 mm 的高强度低松弛应力钢绞线（1×7 股），间排距1.3 mm×2.4 mm，每排2 根，垂直顶板布置，每根锚索配套4 支树脂锚固剂，2 支CK2340、2 支Z2388，其中CK2340 在内侧，Z2388 在外侧，预紧力不低于35 MPa，每根锚索配套规格为300 mm×300 mm×12 mm 高强度拱形托板及专用调心球垫和锁具。采用长度8.0 m的预应力锚索将锚杆锚固区域主动悬吊至基本顶岩层，增强锚杆锚固强化区域范围，充分发挥基本顶岩层的承载能力。

（3）梯子梁参数。锚杆采用梯子梁桁架连接，梯子梁桁架由Φ12 mm 钢筋焊接而成，顶板梯子梁宽50 mm，长3.6 m，帮部梯子梁宽50 mm，长2.6 m。采用梯子梁桁架促使锚杆锚固范围耦合，有效增加主动支护结构护表面积，进一步强化围岩承载结构。

（4）金属网参数。金属网采用菱形金属网，10#铁丝编制而成，顶板金属网规格为3.8 m×1.0 m，帮部金属网规格为2.6 m×1.0 m，金属网与网之间搭接长度不低于100 mm，每隔100 mm 用14#联网丝双股连接一道，每道不少于3 圈，所有联网丝露头一律弯向岩壁。菱形金属网对巷道外露围岩提供一定的反向支护力，可约束巷道围岩碎胀变形，进一步避免巷道冒顶、片帮现象。

图1 巷道支护断面图

图2 顶板支护平面图

4 围岩控制效果分析

将提出的锚网索梁主动支护技术应用于1-1022巷，巷道掘进后，采用位移收敛仪监测了巷道变形情况，图3 给出了巷道围岩变形曲线图。如图3 所示，巷道大概可分为3 个阶段：初期扰动快速变形阶段、中期稳定缓慢变形阶段以及后期稳定平衡阶段。初期扰动快速变形阶段发生在巷道出掘50 d 时间内，该范围内，巷道变形速度最快，顶板变形速度约3.6 mm/d，帮部变形速度约2.58 mm/d；中期稳定缓慢变形阶段发生在巷道掘进50～80 d时间内，该范围内，巷道变形速度有所减缓，顶板变形速度约2.7 mm/d，帮部变形速度约1.9 mm/d；后期稳定平衡阶段发生在巷道掘进80 d 后，该范围内，巷道逐渐趋于稳定，巷道变形量极小。综上所述，锚网索梁主动支护技术应用后，有效控制了巷道围岩变形，实现了1-1022 巷围岩的稳定控制。

图3 巷道围岩变形曲线图

5 结论

巷道围岩自身具备一定的承载能力，为充分发挥坚硬顶板岩层承载性能，分析了1-1022 巷坚硬顶板下巷道主动控制可行性，开发了坚硬顶板下锚网索梁主动控制技术。技术采用高强度、高刚度、高预紧力锚杆强化直接顶岩层力学性能，形成锚杆锚固主动控制区域，同时采用预应力锚索将锚固控制区域主动悬吊至基本顶岩层，增强锚固控制区域范围，充分发挥基本顶岩层的承载能力。技术应用后，有效控制了巷道围岩变形，实现了1-1022 巷围岩的稳定控制。