高預應力錨網支護技術在半煤巖巷中的應用

李建龍

（陽煤集團山西平舒煤業有限公司，山西 陽泉 045400）

井巷支護實踐表明，預應力錨固能夠有效確保圍巖始終處于受壓狀態，抑制圍巖出現彎曲形變和拉伸破壞，減少圍巖完整性和強度的降低，進而實現井巷的穩定性［1-4］。平舒礦業以往對預緊力錨固認識不夠，在半煤巖巷多采用普通錨桿和錨索進行支護，預緊力普遍較低，一般預緊力距100～120 N·m，預緊力為15～25 kN，甚至預緊力為0，嚴重的影響了錨網支護效果。為了提高井巷支護質量，平舒礦業針對地應力特征、圍巖特性、巷道功能、臨巷影響等因素在81117工作面專用抽采措施巷進行了高預應力錨網支護實踐，取得了較好的效果。

1 工作面概況

81117工作面東部和南部為保護煤柱，西部為81115回風巷，北部為東回風巷、東膠帶巷和東軌道等。工作面所采煤層為81#煤層，煤厚平均為2.2 m，埋深平均為550 m，煤層平均傾角為6°，煤體成塊狀和粉末狀，煤體硬度f=0.61。工作面總體處于北高南低單斜構造中，煤層局部厚度變化較大。工作面共布置3條巷道，分別用以進風運煤、回風運料和瓦斯抽采，設計平均可采走向長度和傾斜長度分別為1263 m和207 m。工作面無偽頂，直接頂為均厚5.3 m的砂質泥巖，巖性較脆，局部夾砂巖條帶；基本頂為均厚2.3 m的細粒砂巖，成分以石英為主；直接底為均厚1.47 m的砂質泥巖和均厚1.9 m的82#煤層，基本底為均厚1.64 m的砂質泥巖。工作面水文地質條件較簡單，因上部砂巖屬于弱含水層，在掘進過程中會有局部淋水現象。工作面專用抽采措施巷沿底板掘進，為半煤巖巷，其斷面為矩形，設計尺寸（高×寬）為2850 mm×4200 mm，為提高支護質量，該巷道采用高預應力錨網支護。

2 普通錨網索支護巷道變形破壞分析

以往81#煤層半煤巖巷支護均采用普通錨網索支護，頂錨桿采用Φ20 mm×2000 mm的普通錨桿，兩幫錨桿采用Φ18 mm×1800 mm普通錨桿，錨桿間排距為900 mm×900 mm，頂錨桿和幫錨桿預緊力分別為120 N·m和60 N·m，幫錨索和頂錨索均采用規格Φ15.24 mm×4200 mm的鋼絞繩，錨索間排距為1800 mm×1800 mm，金屬網孔100 mm×100 mm。

通過現場觀測，巷道破壞表現形式主要有：

1）巷道圍巖變形嚴重：巷道收斂量大，巷道底角和頂角明顯內擠收斂，由測量結果可得；回采期間兩幫收斂量累計可達725 mm，其中頂板下沉量最大可達160 mm，兩幫收斂量和頂板下沉量達到了巷道設計尺寸的17.3%和5.6%。巷道頂板離層范圍較大，通過窺視資料可知，81#煤層頂板離層范圍一般在3～5 m，部分超過了錨索錨固范圍，尤其在構造帶附近頂板離層范圍高度有加大趨勢。

2）支護體系受力大：錨桿托盤受力大，個別錨桿存在被拉扭曲和拉斷現象；個別鋼帶出現撕裂現象，鋼帶扭曲變形嚴重。對巷道破壞分析認為，支護方案選擇不當，對地應力估計不足，支護參數和支護材料設計不合理，針對巷道地質構造變化沒有采取針對性支護優化。

3）構造帶附近巖體破壞突發性大：在斷層、頂板破碎帶等構造附近，頂板巖層穩定性和強度較低，同時受到上部含水層淋水影響，頂板更易發生離層和頂板冒漏現象，而支護未針對構造的存在采取針對性支護優化，不利于巷道穩定。

3 高預應力錨網支護應用

3.1 高預應力支護理論

高預應力支護理念是指從錨桿、錨索支護作用原理出發，不僅僅要重視支護材料的強度，提高錨桿、錨索的破斷力，且要注重整個支護體系的剛度，尤其是錨桿、錨索的預緊力大小。這就要求縮短巷道圍巖的無支護時間，一旦圍巖揭露便立即進行支護，并對圍巖施以足夠的預緊力。通過提高支護預緊力，可盡早控制圍巖出現早期的變形和離層，確保巷道圍巖的完整性和強度，充分調動圍巖自承載能力，提高其穩定性，真正實現巷道的主動支護。

3.2 高預應力錨網支護方案

針對81#煤層地應力特征、圍巖特性、巷道功能、相鄰巷道影響等因素影響，同時考慮到81#煤層巷道原支護存在的問題，提出在81117工作面專用抽采措施巷采用高預應力錨網支護方案，以該巷道為例進行實踐研究，81117工作面專用抽采措施巷支護參數見圖1。

圖1 81117工作面專用抽采措施巷支護

（1）頂板支護：錨桿選用規格為Φ20 mm×2000 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，該型錨桿屈服強度為500 MPa；采用150 mm×150 mm×10 mm的高強可調心拱形鋼托盤，錨桿間距900 mm，每盤2.5根；錨索選用規格Φ21.6 mm×6200 mm的鋼絞繩，每兩排布置5根，1、3、5眼位和2、4眼位交替布置，代替原眼位錨桿，排距900 mm，采用300 mm×270 mm×14 mm的高強可調心拱形鋼托盤；金屬網網格為50 mm×50 mm；每個錨桿使用一卷MSCKBΦ23 mm×800 mm樹脂藥卷進行錨固，錨固長度為1100 mm，要求錨桿預緊力不低于300 N·m；每根錨索使用一卷MSZ-23 mm×1200 mm中速樹脂藥卷進行錨固，錨索錨固長度為1560 mm，錨固力不低于150 kN。同時，頂板采用W鋼帶和經緯網進行護頂，W鋼帶規格（長×寬×厚）為4000 mm×280 mm×4 mm。

（2）巷幫支護：錨桿選用規格為Φ20 mm×2000 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，采用150 mm×150 mm×10 mm的高強拱形鋼托盤，錨固長度為750 mm，錨桿間距800 mm，每排3根。每個錨桿使用一卷MSCKBΦ23 mm×800 mm樹脂藥卷進行錨固，錨固長度為1100 mm，要求錨桿預緊力不低于300 N·m。同時，采用金屬經緯網進行護頂。

3.3 支護效果分析

為了掌握高預應力錨網支護效果，在81117工作面專用抽采措施巷進行了巷道圍巖表面位移和頂板離層觀測。81117工作面專用抽采巷圍巖表面位移變形情況見圖2，頂板離層情況見圖3。由圖2可知，隨著距離掘進迎頭距離的增加，巷道表面圍巖變形逐漸變緩，距離掘進迎頭100 m范圍外，兩幫和頂底變形基本穩定，觀測期間兩幫累計收斂72 mm，頂班下沉量為24 mm，兩幫收斂量和頂板下沉量分別為巷道設計尺寸的5.2%和3.7%，相比于原支護變形量降低了90%和85%。由圖3可知，81117工作面專用抽采措施巷頂板離層總量約為11.5 mm，其中淺部離層約7.5 mm，深部離層約4 mm，以淺部離層為主，占了總離層量的65.2%。觀測結果表明，81117工作面專用抽采措施巷采用高預應力錨網支護能夠有效控制巷道變形和頂板離層，支護效果較好，能夠達到預期支護目的。

圖2 巷道圍巖表面位移變化曲線

圖3 頂板離層位移監測曲線

4 結語

選用高預應力錨網支護能夠有效抑制圍巖出現彎曲形變和拉伸破壞，確保巷道的完整性和強度，使其充分發揮自承載能力，提高巷道的穩定性。從81117工作面專用抽采措施巷支護效果可以看出，高預應力錨網支護在礦井半煤巖巷是成功的，能夠通過發揮其主動支護作用提高巷道穩定性，自2016年12月施工完畢，目前該巷道整體情況較好，能夠滿足生產需要，達到巷道預期支護目的，高預應力錨網支護技術值得在礦井推廣應用。