基于预应力钢棒支护的离层巷道支护技术的应用

上官军卫

（山西晋能控股煤业集团沁秀公司岳城煤矿， 山西 晋城 048006）

1 现场概况

岳城煤矿主采3 号煤层，煤层平均厚度3.36 m，分层开采。1308 工作面位于一盘区大巷以北，1307工作面以西，1309 工作面以东，矿界以南。13081 巷为工作面进风顺槽巷道，巷道标高441.0～503.0 m，地面标高955.0～860.0 m。巷道直接顶和老顶均为砂质泥岩，平均厚度3.63 m，黑色，质软不坚硬，层理发育，岩芯坚硬，完整，属中等不稳定顶板。自2019年9 月初开始施工13081 巷掘进开口以来，巷道矿压显现强烈，顶板压力极大，频繁出现锚索异常声响，顶板托盘四角翘起及顶板离层仪变化较快等异常情况，尤其是采用全锚索支护后围岩变形仍未得到有效控制。因此有必要分析确定巷道强烈变形的原因，针对性提出科学合理的支护参数，解决巷道支护难题。

2 理论计算

预应力是钢棒支护系统的决定性参数。在高预应力下，钢棒支护产生的附加应力场应力值大，形成的压应力区范围广，有效压应力区几乎覆盖了整个顶板，形成有机的整体[1]，钢棒的主动支护作用得到充分发挥。

根据现场实际情况，利用工程类比法及现场经验选择锚固法加固顶板，采用自然平衡拱原理作为钢棒支护设计的数学模型，通过巷道围岩层间的关系来确定巷道支护的钢棒参数。根据《采矿工程设计手册》和《煤巷锚杆支护理论与成套技术》[2]，经计算可得：钢棒长度取值应不小于2.40 m，合理取值为2.70 m；直径取值应不小于16 mm；锚索长度应不小于4.484 m；钢棒间距不应大于1.34 m，钢棒排距不应大于1.34 m。

3 支护设计

3.1 顶板支护

如图1 所示，顶板支护为钢棒和锚索联合支护，其中：钢棒采用屈服强度≥1 100 MPa 的（20-2700左旋无纵筋预应力钢棒，搭配钢棒锁具和高强度托板，排距10 00 mm，每排5 根钢棒，钢棒间距1 050 mm，垂直顶板打设，钢棒钻孔2 400 mm，外露150 mm；锚固剂采用MSK2335、MSZ2360 各1 支进行全长预应力锚固，钻头直径（28 mm，锚固长度为1 309 mm， 锚 固 力 不 小 于 250 kN； 表 面 采 用BHW235/280/4-4500-5 的 W 钢带和 3 000 mm×1 200 mm 钢筋塑料网两边压边。预应力钢棒初始张拉至250 kN，损失后不低于200 kN。

锚索采用SKP22-1/1720-7400 高强度矿用钢绞线锚索，沿巷道中间垂直打设每排3 根，间距1 500 mm，距帮1 066 mm，排距1 000 mm，采用 1 支MSK2335 和2 支MSZ2360 树脂药卷锚固，钻头直径（28 mm，锚固长度2 733 mm，表面采用5 132 mm 的12 号工字钢梁，预紧力损失后大于250 kN，考虑到预应力损失要求现场施工时超张拉至310 kN。

3.2 两帮支护

如下页图2 所示，两帮支护形式与顶板支护类似，钢棒排距为1 000 mm，每帮每排2 根钢棒，钢棒间距1 050 mm，距顶、底分别为1 550 mm、600 mm，垂直巷帮打设，锚固长度为1 309 mm，预应力钢棒初始张拉至150 kN，损失后不低于100 kN。锚索采用SKP22-1/1720-4300 型高强锚索，每排每帮布置1 根锚索，锚索距顶500 mm，排距1 000 mm，全都垂直煤帮打设，预紧力损失后大于150 kN，考虑到预应力损失，要求现场施工时超张拉至210 kN。

图1 顶板支护示意图（单位：mm）

图2 巷帮支护示意图（单位：mm）

4 现场实施

13081 巷于 2019 年 9 月开始施工，自 450 m 处以里设置综合矿压观测站，分别对巷道表面位移、钢棒受力及顶板离层情况进行现场观测。

巷道表面位移监测结果表明：随着距离掘进头距离的增加，巷道位移量逐渐增大，28 m 之后巷道变形基本趋于稳定。顶板最大下沉量为18 mm，两帮移近量最大为156 mm，总体来看变形量很小。

在观测范围内选取不同预紧力的两组钢棒进行受力观测，其中1 号预紧力为40 kN，2 号预紧力为120 kN。观测结果见图3。

图3 不同预紧力条件下钢棒的受力情况

大部分钢棒初始预紧力为100～120 kN，最大的特点是钢棒施加较高的预应力后，钢棒受力受掘进的影响不大，钢棒受力变化不大，基本趋于稳定。说明钢棒预紧力设计合理，能够很好地控制巷道围岩变形，防止围岩离层、破碎扩容的发生，保持其完整性，充分发挥其主动支护作用[3]。

从离层仪监测结果来看，绝大部分离层仪显示离层值为0，说明预应力锚棒支护系统有效地保障顶板的稳定，顶板基本没有发生离层现象。

5 结论

采用高预应力钢棒支护工艺，当钢棒长度的合理取值为2.70 m，直径为16 mm，间排距为1.34 m时，现场顶板、两帮能够被有效支护，且巷道表面位移和顶板离层均在设计允许范围之内，说明钢棒预紧力设计合理。该设计方案能够很好地控制巷道围岩变形，防止围岩离层、破碎扩容的发生，保持其完整性，充分发挥了钢棒的主动支护作用。