全長預應力錨固支護技術在采空側巷道應用

仇晉忠

1 試驗巷道生產狀況

三礦K8203回風巷南部為K8205工作面采空區，斷面為矩形，沿15#煤層底板掘進。15#煤層平均厚度為6.90 m。巷道埋藏深度為585 m。巷道原設計頂部采用“短錨索、網、鋼帶+加強錨索”，兩幫采用“幫錨桿、網”支護，落山幫加幫錨索和套棚補強支護,掘進200 m后，受動壓影響，斷面變形劇烈，頂板下沉、底板底鼓、兩幫內擠比較嚴重。巷道頂底板移近量達1000 mm以上，兩幫位移量達1500 mm以上，巷道行人、通風困難，需不斷進行維護和返修，嚴重影響了工作面的正常掘進，同時為下一步工作面回采留下了安全隱患。因此，在K8203回風巷進行了全長預應力錨固支護試驗。

2 巷道圍巖力學特性與地應力場分布規律研究

1）通過對K8203回風巷的巖塊進行巖石試件加工與力學性能測試，得出頂板及兩幫煤樣和底板泥巖物理力學指標如表1所示。為支護方案的選取與支護參數的設計優化提供依據。

表1 三種基本巖性力學指標

2）三礦與相關科研單位采用水壓致裂法進行了地應力測試，測試共布置4各地應力測站，每個測站布置一個地應力測試鉆孔。鉆孔深度20 m，地應力測試結果表明：四個地應力測點的垂直地應力值為12.99～13.65 MPa，最大水平地應力值為11.75～14.06 MPa，最小水平地應力值為6.25～7.15 MPa，側壓力系數為0.87～1.08；四個測站的最大水平地應力方向分別為N45°W、N38.4°W、N40.2°W和N49°W，表明三礦最大水平地應力大體上以北偏西方向。4個測站中最大水平主應力大于垂直主應力的測站有2個，垂直主應力大于最大水平主應力的測站有2個，分別占總測站的50.0%。因此，三礦地應力總體上以水平應力為主。

3 支護方案

在K8203回風巷開口300～600 m區段支護形式為“頂部采用“短錨索、網、鋼帶+加強錨索”，兩幫采用“全長預應力錨固錨桿、網”支護。每50 m布置一個測站，每個測站設4套錨桿（索）測力計（分別設在頂錨索、加強錨索、幫錨桿、幫錨索）和一套頂板離層儀。試驗地點及測站布置見圖1。

圖1 K8203工作面全長預應力錨固支護技術試驗地點及測站布置（比例 1：4000；單位/m）

根據前面的研究成果，確定K8203回風巷的支護斷面見圖2。

圖2 K8203回風巷支護斷面

1）預留變形量

考慮在高地應力、采動壓力、大范圍的松散壓力與變形壓力共同作用下，將導致巷道圍巖出現大變形，在進行巷道掘進時，適當擴大掘進斷面，頂部和兩幫各預留一定的變形量，以允許巷道圍巖產生適當的位移變形，以達到釋放圍巖應力，避免應力集中，使集中的高應力向圍巖的更深部轉移的目的，從而保證整體支護結構的穩定性。原巷道設計斷面尺寸為4.7 m×3.3 m，考慮預留變形量后巷道斷面尺寸為5.0 m×3.3 m。

2）頂板支護

巷道頂板通過布置高預應力錨索實現對巷道頂板的及時有效控制，預應力錨索采用1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線制作，錨索直徑Φ21.6 mm；中間3根錨索長度為7300 mm，其余錨索長度為5300 mm，錨索長度不一，能夠使其作用力不在同一層位，從而提高頂板的穩定；間排距為750 mm×800 mm；采用1卷K2360和1卷Z23100型樹脂藥卷加長錨固，錨固長度1600 mm；其極限承載力為607 kN，伸長率為7%；采用高強度可調心托盤（300 mm×300 mm×16 mm）； 錨索預緊力為294.4 kN。

頂板鋼帶采用7孔M鋼帶，規格為4800 mm×176 mm×6 mm，孔徑Φ36 mm，孔間距750 mm；幫部鋼帶采用5孔M鋼帶，規格為3300 mm×176 mm×6 mm，孔徑Φ36 mm，孔間距750 mm。

3）兩幫支護

幫部錨桿采用全長預應力錨固錨桿，規格為Φ20 mm×2400 mm，錨桿直徑為20 mm，鋼號BHRB500，桿尾螺紋為M22；錨桿孔直徑為Φ29 mm，孔深2400 mm；錨桿間排距為750 mm×800 mm；采用1卷K2340型和2卷M2380型樹脂藥卷全長錨固，預緊力不小于60 kN；托盤采用高強度鋼托盤，規格為150 mm×150 mm×10 mm。

幫部布置預應力錨索進行加強支護（見圖3），預應力錨索規格為Φ21.6 mm×5300 mm，錨索采用3-2-3隔排布置，排距1600 mm。采用1卷K2360和1卷Z23100型樹脂藥卷加長錨固，錨固長度1600 mm；其極限承載力為607 kN，伸長率為7%；采用高強度可調心托盤（300 mm×300 mm×16 mm）；錨索預緊力為294.4 kN。

金屬網采用8#冷拔鐵絲編制的菱形網，頂板金屬網規格為5500 mm×950 mm，幫部金屬網規格為3200 mm×950 mm，網孔規格為80 mm×80 mm，網與網的搭接長度不少于150 mm，搭接處應采用雙股14#鐵絲綁扎，綁扎點間隔不超過100 mm。

4）底板支護

在幫錨桿斷面使用全長預應力錨固加裝底角錨桿，具體規格參數與幫部全長預應力錨桿相同。

圖3 幫部預應力錨索加強支護結構

4 表面位移及離層監測數據分析

1）表面位移數據分析

試驗期間K8203回風巷兩幫的位移量僅為15 mm，頂底板的位移量最大值為17.0 mm。頂底板移近量變化速率最大為5.0 mm/d，最小為0.1 mm/d，平均為2.3 mm/d；兩幫移近量變化速率最大為6.0 mm/d，最小為0.3 mm/d，平均為1.5 mm/d。由此可見，全長預應力錨固錨桿和預應力錨索較好的發揮了其對圍巖的控制作用，巷道僅產生了較小的位移量。

2）巷道頂板離層監測數據及分析

試驗巷道掘進期間，1#測站深基地離層值為14.1 mm，淺基點離層值為9.5 mm；2#測站深基地離層值為14.2 mm，淺基點離層值為12.1 mm；3#測站深基地離層值為20.2 mm，淺基點離層值為16.2 mm。總體看來，頂板離層并不明顯。

5 結語

在受采動影響劇烈的采空側巷道使用全長預應力錨固支護技術，可以有效地控制巷道圍巖的位移量，較好地解決了該類巷道的支護難題。同時保證了礦井的生產安全，為類似條件下的巷道支護提供了技術借鑒，具有顯著的經濟效益和社會效益，推廣應用前景十分廣闊。

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