高预紧低密度支护技术与掘锚护一体机的应用实践

王 瑜

（山西焦煤汾西矿业集团贺西煤矿，山西 柳林 033300）

1 工程概况

汾西矿业集团贺西煤矿2417 运输巷位于二采区西翼，埋深为193.7～416.5 m，主采4#煤层，运输巷采用2 部DSJ-100/80/2×160 型胶带输送机和1 部SZZ-764/160 转载机出煤。2417 运输巷老顶平均厚度7.84 m 的中粒砂岩，直接顶平均厚度1.81 m的砂质泥岩，浅灰色，厚层状，中粒砂状结构，以石英为主，长石次之；直接底平均厚度5.14 m 的泥岩，灰黑色，块状，性脆，断口平坦，较坚硬。在掘进过程中，揭露F41、F42、F45 共3 条断层，其中运输巷揭露的断层影响范围较大，影响约220 m范围，增加了掘进作业的支护难度。

2417 运输巷为矩形断面，巷道净宽度5.0 m，净高度3.2 m，沿4#煤底板掘进。原锚网索支护设计为：顶锚杆采用Φ20 mm×2400 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，矩形布置，间距900 mm，排距900 mm，每排支护6 根，顶锚杆配套使用Φ14-60-4700mm 的6 眼钢筋圈梁压W 钢带压菱形网支护，角锚杆角度为75°。帮锚杆采用Φ16 mm×1800 mm 的圆钢树脂锚杆，矩形布置，间距850 mm，排距900 mm，配套使用Φ14-60-2750mm 的4 眼钢筋圈梁压菱形网支护，最上方一根锚杆距顶板300 mm，最下面一根锚杆布置在煤岩交界处。锚索规格为Φ17.8 mm×6300 mm，锚索间距1200 mm，排距1800 mm，每排3 根，锚索下压250 mm×250 mm×10 mm 锚索托板支护。菱形网规格为8000 mm×1100 mm，垂直巷道掘进方向铺设，网与网搭接100 mm，每200 mm 联一扣。网要贴顶贴帮铺设，铺平拉直。联网丝采用16#铅丝，对折成双股后扭结至少3 圈，一扣压一扣。原锚网索支护参数如图1。

图1 2417 运输巷原锚网索支护参数（mm）

2 应用思路

针对贺西煤矿2417 运输巷的地质条件，将高预紧低密度支护技术与掘锚护一体机进行联合应用，将快掘支护和掘锚护一体机的技术优势结合起来[1-2]，可以实现巷道的快速掘进。其应用思路如下：

（1）提供一种多功能集成的掘锚护一体机。该设备具有掘进、临时支护、机械化锚杆支护作业、负压吸尘风筒及高压水喷雾于一体，因2417 运输巷工作空间狭小，要求设备结构紧凑、外形小巧、操作灵活。

（2）平行作业机载式锚杆钻机系统设计。截割作业时，锚杆钻机部位必须以最小的体积停放于主机侧部，防止对截割作业产生影响；锚索支护作业时，钻机必须能够灵活伸出至前部待支护区域。锚杆钻机之前应该高度独立、平行作业，才能保证锚杆作业的高效，进而提高掘进效率。

（3）深井复杂条件煤巷顶板时效支护机理研究。通过理论分析，建立厚层顶板锚固岩梁，实现消除离层和顶板连续化小变形，缓解煤帮压力，减轻煤体损伤破裂。

（4）高预紧低密度锚索支护技术研究。通过优化支护结构，加长支护锚固长度，提高单根锚索的支护效能，加强护表效果，形成低密度、高预紧、长锚固强化支护技术。

（5）工业性试验。确定最优的支护方案与参数，并在掘进工作面进行工程实践。

3 高预紧低密度锚索支护方案设计

高预紧低密度锚索支护效能达到普通锚杆的3倍以上，可形成较强的锚固力、承载力的稳定锚固层，利用高预紧低密度锚索群构建巷道顶板厚锚固层连续梁的支护技术，称高预紧低密度锚索支护。

3.1 支护材料构成

低密度锚索支护采用高强度锚索，锚索选用1×19 股钢绞线结构，配备同型号锚索锁具，该钢绞线强度不低于1860 MPa，杆体延伸率达3.5%.

3.2 支护方案及实施

根据2417 综放工作面工程地质条件及现场试验得知，锚固层厚度须至少为巷道跨度的2/3 以上，可得顶板锚固层厚度须在3.2 m 以上。鉴于2417 运输巷托顶煤的破碎性构造，加上锚固层岩性及厚度变化，最终确定顶板短锚索支护长度为4200 mm。

3.2.1 顶板支护

2417 运输巷支护实施方案：顶锚杆采用Φ22 mm×2400 mmSMG500#高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，采用高强锚杆螺母M24×3，托板采用可调心拱型高强度托盘配减摩垫片，规格为150 mm×150 mm×10 mm。矩形布置，间距950 mm，排距1000 mm，每排支6 根，顶锚杆下压锚杆托盘压长4950 mm、宽300 mm、厚4.5 mm 的W 型钢带压六边形网（长×宽=5000 mm×1200 mm）支护，角锚杆角度不小于75°。锚索规格为Φ21.8 mm×6300 mm（1×19 股）高强度低松弛预应力钢绞线，间距1200 mm，排距2000 mm，锚索下压300 mm×300 mm×14 mm 的可调心拱形高强度锚索托盘及配套锁具。

3.2.2 巷帮支护

帮锚杆采用Φ22 mm×2400 mmSMG500#高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，采用高强锚杆螺母M24×3，托板采用可调心拱型高强度托盘配减摩垫片，规格为150 mm×150 mm×10 mm。矩形布置，间距850 mm，排距1000 mm，每排左右两帮各支护4 根，帮锚杆下压锚杆托盘压长400 mm、宽300 mm、厚4.5 mm 的W 钢护板压六边形网（长×宽=2000 mm×1200 mm）支护，网与网搭接使用，W钢护板垂直巷道布置（短边顺巷道掘进方向放置），最上方一根帮锚杆距顶板200 mm 处向上倾斜15°施工，中间两根锚杆水平施工，最下方一根帮锚杆距底板400 mm 处向下倾斜5°施工。支护参数如图2。

图2 支护参数图（mm）

4 掘锚护一体机的工业性应用

4.1 掘锚护一体机施工工艺

针对贺西煤矿2417 运输巷，提出了采用EJM270/4-2 掘锚一体机来实现巷道快速掘进的措施。在2417 运输巷的掘进现场，具体工艺流程为：接班进行全面安全隐患排查→验收工程质量→延皮带→扫底切割→敲帮问顶→第一排顶网固定在机载临时支护上，将临时支护升起紧贴煤岩面→连顶网→操作液压钻机，施工定位顶锚索眼→安装定位锚索并张紧锚索→从巷道中间向两侧依次施工顶锚索→降下临时支护，将第二排顶网固定在机载临时支护上，临时支护升起紧贴煤岩面→连第二排顶网→施工定位顶锚索眼→安装定位锚索并张紧锚索→从巷道中间向两侧依次施工锚索→进行两帮锚网支护→紧固帮锚杆螺母→预紧力及工程质量验收→整改、达标→交接班。

4.2 掘锚护一体机技术优势分析

EJM270/4-2 掘锚一体机能够实现连续切割、装载、运输、锚杆锚索支护循环作业，其技术优势显著，表现在以下几方面：

（1）安全。机载液压钻机操作人员始终位于机载临时支护下方，在液压钻机自带的作业平台上作业，有效避免了片帮、冒顶安全事故发生。

（2）高效。机载液压锚索钻机比人工气动杆钻机扭矩、钻速、推力均增大1 倍以上，钻孔和安装锚索的速度可提高30%以上；标准化的钻机布置，机械化的部移，减少了很多辅助工作，综合掘进效率高。

（3）减人。液压钻机固定在掘进机上，实现液压远程操作，每部钻机仅需1 人即可完成打眼、安装锚索工序，而目前人工钻锚一部钻机需要2～3人才能完成。

（4）降低职工劳动强度。钻护锚过程全部实现机械化作业，避免了工具搬运、钻孔、预紧等人力操作，有效实现减人提效。

（5）提高锚固质量。锚索紧固采用液压装备，扭矩可以达到300 N·m，是日前普通锚索钻机的2 倍，可以大幅提高锚杆初锚力，提高锚固效果。

5 实施效果分析

在贺西煤矿2417 运输巷应用EJM270/4-2 掘锚一体机与高预紧低密度锚索支护技术相结合，有效提高了掘进支护效率，取得了单日最高掘进进尺达26 m，日均23 m，月度累计完成掘进进尺610 m 的较好成绩。

为检验高预紧锚索低密度支护效果，结合工程实际施工情况，对2417 运输巷巷道围岩表面位移、深部位移、锚索荷载及巷道深部围岩裂隙发育规律进行跟踪观测。结果表明：新支护顶板下沉量和两帮移近量比原设计支护方式分别降低了38%、48%，新支护下巷道围岩控制效果更好。同时，顶板形成厚层锚固结构，实现了应力的连续传递，作用到帮部的支承压力明显降低，帮部变形也得到明显缓解。

6 结语

基于高预紧低密度支护技术与掘锚护一体机的应用，形成了贺西煤矿巷道顶板掘锚一体协同控制技术体系，以单一锚索支护的形式实现对巷道围岩的有效控制，提高了单根支护强度，同时降低了支护密度，提高了支护能，在显著提高支护质量的同时，将巷道掘进速度提高至每月610 m。巷道掘进、回采期间矿压观测表明，该技术体系对巷道围岩的控制效果良好，为企业产生了较大的社会经济效益。