强动压巷道超高强柔性锚杆支护技术研究

曹建来

（山西潞安环保能源开发股份有限公司 五阳煤矿，山西 长治 046200）

0 引 言

我国煤矿以井工开采为主，需要在井下掘进规模巨大的巷道工程[1]。近年来，随着开采规模的日益增大，煤矿巷道围岩应力逐渐增加，使得控制巷道围岩稳定性存在许多难题[2]。在巷道掘进过程中，最初的支护设计容易出现考虑因素不全面的情况，导致支护巷道围岩变形量较大，难以满足现场实用需要，需对支护参数进行优化研究[3-6]。

巷道围岩稳定是保证煤矿安全高效生产的前提[7]。随着煤层埋深逐渐加大，开采引起的采动压力对巷道支护的影响不断增加，导致巷道围岩出现不同程度的损伤破坏，甚至引起巷道围岩整体失稳。目前国内学者针对强动压巷道支护问题做了大量试验研究并取得了一定的成果。孙利辉等[8]分析了极软煤体物理力学特征及破碎机理，提出了短锚索支护+长锚索补强的全锚索加固技术；赵国栋等[9]优化了水力压裂方案，用主动+被动+改性注浆相结合的方式达到维护巷道稳定的目的；张占涛[10]等分析研究了受动压影响煤柱内支承压力分布特征及其内部巷道围岩变形特征，提出了强力锚杆支护系统配合高强度托板和金属网的支护方式；任硕等[11]研究了复合顶板锚杆预应力场分布规律，揭示了围岩在软硬不同岩性岩石中的应力传递效果，提出了“动态锚固- 应力扩散”的支护方案；周逸群等[12]计算了巷道顶板各岩层破断形式，揭示了墙体载荷与采空区侧向顶板悬臂长度的关系，采用注浆加固的方式实现了巷道围岩重塑，使得围岩恢复完整性。蔡峰[13]等揭示了围岩强度低、强膨胀性、强吸水软化、围岩应力四周来压、支护与围岩变形不耦合的失稳机制，提出了锚梁结构强化顶板+恒阻锚杆加固两帮+注浆锚固支护底角的恒阻让压耦合支护方案。本文针对五阳煤矿8005 运输巷巷道支护时支护密度大、支护成本高、施工缓慢、受动压影响较大等问题，使用超高强柔性锚杆进行支护，优化了支护参数，降低了回采巷道支护成本及多次返修的费用，保证了工作面安全快速推进，产生了较好的经济效益和社会效益。

1 概 况

五阳煤矿开采80 采区，开采对象为山西组中下部的3 号煤层，8005 运输巷位于80 采区南部，巷道从80 采区胶带运输巷开口，全长为1 983 m，工作面标高为+298—+403 m。其东部为80 采区准备巷道，南部为8006 回风巷，北部为80-0305 底抽巷，西部为实煤体。

老顶为细粒砂岩，厚5.55～7.05 m，平均6.30 m，岩性为灰色、中厚层状，成分以石英长石为主，含植物化石，垂直裂隙发育，f=4～8。直接顶为砂质泥岩，厚2.32～3.97 m，平均3.15 m，岩性为灰黑色，块状，参差状断口，具丰富植物化石，f=2～4。直接底为砂质泥岩，厚1.29～4.53 m，平均2.91 m，岩性为灰黑色，块状，参差状断口，具丰富植物化石，f=2～4。老底为砂质泥岩、细粒砂岩及泥岩，厚4.90～6.35 m，平均5.63 m，岩性为灰色、中厚层状，成分以石英长石为主，含植物化石，垂直裂隙发育，f=4～8。

2 8005 运输巷超高强柔性锚杆支护方案

8005 运输巷沿煤层顶板掘进，长1 980 m；巷道宽×高为5.5 m×3.8 m，8005 运输巷支护布置情况如图1 所示。

图1 8005 运输巷支护布置示意Fig.1 Support layout of 8005 transport roadway

2.1 顶板支护

2.1.1 超高强柔性锚杆支护

超高强柔性锚杆规格为MSRG1860-17.8/4300，杆体材料为1×7 股高强度低松弛预应力钢绞线，强度级别为1 860 MPa，直径17.8 mm，长度为4 300 mm。

加长锚固，采用1 支MSK2335 和4 支MSM2360 树脂药卷锚固，钻孔直径30 mm，锚固长度2 495 mm。

超高强柔性锚杆布置：间距1 200 mm，排距1 000 mm，巷道每排打设5 根超高强柔性锚杆。

钢筋托梁采用直径16 mm 圆钢焊接而成，宽度100 mm，长度4 950 mm。

超高强柔性锚杆托板采用高强度托板。托盘尺寸为：300 mm×300 mm×16 mm。

超高强柔性锚杆除左右2 根按与垂直面10°打设外，其余垂直顶板打设。

顶锚固扭矩400 N·m。

2.1.2 锚索支护

锚索形式和规格：长锚索材料为直径21.6 mm，1×19 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度为6.3 m。

锚索锚固方式：加长锚固，采用1 支MSK2335 和2 支MSM2360 树脂药卷锚固，钻孔直径30 mm，锚固长度1 970 mm。

锚索布置：锚索间距2 000 mm，排距1 000 mm，全部垂直顶板打设。

钢筋托梁采用直径16 mm 圆钢焊接而成，宽度100 mm，长度4 150 mm。

锚索托板采用高强度托板。托盘尺寸为：300 mm×300 mm×16 mm。

锚索全部垂直顶板打设。

锚索初次张拉时预张力不小于300 kN，损失后不得低于250 kN。

2.2 帮部支护

2.2.1 锚杆支护

锚杆形式和规格：选用型号MSGLW-600/22×2400 的金属锚杆，杆体为超强热处理左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为CRM600，屈服强度600 MPa，杆体直径22 mm，长度2.4 m，延伸率不低于20%，冲击吸收功不小于40 J；锚杆尾部螺纹M24，螺纹段长120 mm。

锚固方式：采用2 支树脂锚固剂加长锚固，锚固剂规格分别为MSK2335 和MSM2360，钻孔直径≤30 mm，锚固长度约为1 208 mm。

锚杆布置：锚杆间距850 mm，每排打设5 根，锚杆排距900 mm。

钢筋托梁采用直径16 mm 圆钢焊接而成，宽度100 mm，长度3 550 mm。

锚杆采用高强度配套的拱形托板。托盘尺寸为：150 mm×150 mm×8 mm。

网片采用10 号铁丝编织的经纬网护帮，网孔规格50 mm×50 mm，规格为3 600 mm×1 000 mm。用16 号铅丝联接，双丝双扣，孔孔相连。

锚杆间距850 mm，每排打设5 根，锚杆排距900 mm。

锚杆左右帮肩2 根按与垂直面10°打设，左右帮脚2 根按与垂直面10°打设，其余垂直巷道两帮打设。

帮锚固扭矩300 N·M。

2.2.2 锚索支护

锚杆形式和规格：锚索材料为直径21.6 mm，1×19 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度为5 300 mm。

锚固方式：采用3 支树脂锚固剂加长锚固，分别为1 支MSK2355 和2 支MSM2360，钻孔直径≤30 mm，锚固长度约为1 970 mm。

锚索布置：工作面外帮采用“2-0-2”式每排2 根布置，排距1 000 mm，间距2 300 mm，距顶、距底均750 mm。内帮不布置锚索。

锚索托板采用高强度托板。托盘尺寸为：300 mm×300 mm×16 mm。

锚索全部垂直外帮打设。

锚索初次张拉时预张力不小于300 kN，损失后不得低于250 kN。

3 工业性试验

对巷道支护设计优化后，为了评估支护方案的合理性，需要对巷道围岩变形量、锚杆锚索受力进行监测，根据监测结果分析，如有需要，可适当调整支护参数。本项目设计对巷道表面位移进行监测，包括顶底相对移近量和两帮相对移近量。在距离试验巷道开口段50 m、100 m 位置共设计2 个监测测站，每个测站安设2 个监测断面，监测断面内采用十字布点法安设测点，测点的基点安设必须牢固。测试断面布置的当天进行第一次测量，以后每天观测1 次，20 d 后每2 d 观测1 次。图2、图3为巷道支护参数优化后两测站顶底板移近量及两帮移近量变化规律。

监测结果如图2、图3 所示，使用了超高强柔性锚杆支护后，巷道受动压影响减小。移进速度随着时间的推移先快后慢，巷道两帮和顶板移进量逐渐增加，测站1 顶底板移进量在22 d 达到265.1 mm 并趋于稳定，两帮移进量在20 d 达到196.5 mm 并趋于稳定；测站2 顶底板移进量在20 d 达到258.1 mm 并趋于稳定，两帮移进量在20 d 达到180.3 mm 并趋于稳定。由此可见，采用优化后的支护参数围岩控制效果明显，提高了巷道围岩的自承能力，巷道掘出后围岩稳定时间也大大缩短，巷道围岩变形速度和变形量均得到了减小，有效地控制8005 运输巷的有害变形，证实了超高强柔性锚杆支护技术优化方案的合理性。

图3 2 号测站巷道表面位移Fig.3 Roadway surface displacement of No.2 station

4 结 论

（1） 本文针对8005 运输巷巷道支护时支护密度大、支护成本高、施工缓慢、受动压影响较大等问题，使用了超高强柔性锚杆支护技术进行支护，优化了支护参数，降低了回采巷道支护成本及多次返修的费用，保证了工作面安全快速推进，产生了较好的经济效益和社会效益。

（2） 工业性试验研究结果表明，采用超高强柔性锚杆支护技术和优化后的支护参数，提高了巷道围岩的自承能力，围岩控制效果十分明显，提高了巷道承受动压影响的能力，巷道掘出后围岩稳定时间也大大缩短，巷道围岩变形速度和变形量均得到减小，有效地控制8005 运输巷的有害变形，证实了超高强柔性锚杆支护技术优化方案的合理性。