堅硬頂板1-1022 巷錨網索梁主動控制技術研究

秦紅強

（霍州煤電集團洪洞億隆煤業有限責任公司，山西 臨汾 041600）

井工開采礦井服務期內巷道的圍巖穩定直接影響到礦井的安全高效開采[1-2]，專家學者提出了組合梁、壓力拱、最大水平應力等理論假說，以及錨桿支護、架棚支護等聯合支護技術，推動了巷道圍巖控制理論和技術的發展[3]。高強度、高剛度、高預緊力錨桿支護和預應力錨索支護是實現巷道圍巖主動控制的主要技術手段之一，廣泛應用于國內礦井巷道支護，尤其是煤巷支護。“三高”錨桿支護可有效提高直接頂巖層力學性能，形成主動錨固控制區域，實現支護圍巖共同承載。預應力錨索將錨桿錨固區域主動懸吊至穩定巖層，增強錨桿錨固強化區域范圍，充分發揮基本頂巖層的承載能力[4-5]。

1 工程概況

億隆煤業1-1022 巷服務于1-102 工作面，巷道設計長度650 m，擔負著回風、輔助運輸任務。巷道位于東梁村以東，地表為黃土丘陵和溝壑，黃土層厚度118～136 m，基巖厚度為170～210 m。巷道以西為1-101 工作面，以東為設計1-102 工作面，北部為軌道下山巷，南部為井田邊界萬安斷層。巷道埋深410～430 m。1-102 工作面開采煤層厚度1.5～1.7 m，平均厚度1.6 m，傾角6°～8°，平均傾角7°，煤層結構簡單、穩定。煤層直接頂巖層為5.5 m 厚的灰黑色砂質泥巖，巖性以石英為主，厚度增厚時相變為粉砂巖，次圓狀波狀層理，中間夾有兩層煤線；基本頂巖層為6.5 m 厚的灰白色K8中砂巖，巖性以石英為主，含暗色礦物及煤屑，鈣質膠結，致密堅硬；直接底巖層為5.0 m 厚的灰黑色泥巖和砂質泥巖互層結構，巖性以石英為主，性脆、質軟，含植物化石碎片，斷口平坦。

2 堅硬頂板下巷道主動控制可行性分析

主動控制是指巷道開挖后及時采用相應的技術手段對巷道表面圍巖形成主動約束力，提高巷道圍巖的力學性能，促使其形成穩定承載結構，充分發揮自身承載能力，從而實現巷道圍巖的長時穩定控制，目前常用的技術手段有錨桿支護、預應力錨索支護等。1-1022 巷賦存較厚的堅硬頂板巖層可為巷道主動控制提供一定的基礎，應充分利用其承載能力。

1-1022巷直接頂為5.5 m厚的灰黑色砂質泥巖，其強度較低，裂隙較為發育，受掘進影響易產生變形，因此采用高強度、高剛度、高預緊力錨桿實現主動支護，提高直接頂巖層力學性能，形成主動錨固控制區域，實現支護圍巖共同承載。

1-1022巷基本頂為6.5 m厚的灰白色K8中砂巖，鈣質膠結，致密堅硬，巷道支護時應采用預應力錨索將直接頂巖層形成的錨桿錨固區域主動懸吊至基本頂巖層，增強錨桿錨固強化區域范圍，充分發揮基本頂巖層的承載能力。

3 錨網索梁主動支護技術

1-1022 巷設計掘進長度650 m，掘進斷面為矩形，寬3.6 m，高2.7 m。基于堅硬頂板下巷道主動控制思路的分析，開發錨網索梁主動支護技術，以實現1-1022 巷圍巖的穩定控制。巷道支護斷面圖如圖1，具體支護參數如下。

（1）錨桿參數。錨桿采用L2.0 mΦ20 mm的左旋無縱筋高強錨桿。頂板錨桿間排距0.85 m×0.80 m，每排5根，中間3根錨桿垂直于頂板布置，兩側的2 根錨桿與頂板呈75°夾角布置，每根錨桿配套2 支樹脂錨固劑，1 支CK2340、1 支Z2388，其中CK2340 靠近內側，Z2388 靠近外側，設計預緊力矩不小于280 Nm，錨桿外露10～50 mm；幫部錨桿間排距0.80 m×0.80 m，每排4 根，每根錨桿配套2 支CK2340 樹脂錨固劑，設計預緊力矩不小于200 Nm，錨桿外露10～50 mm。頂板每根錨桿均配套使用規格為150 mm×150 mm×6 mm 方形高強托盤和相匹配的減磨墊片、螺栓。高強度、高剛度、高預緊力的頂幫錨桿可強化直接頂砂質泥巖力學性能，促使圍巖形成主動控制錨固區域。

（2）錨索參數。頂板采用錨索加強支護，錨索采用規格L8.0 mΦ17.8 mm 的高強度低松弛應力鋼絞線（1×7 股），間排距1.3 mm×2.4 mm，每排2 根，垂直頂板布置，每根錨索配套4 支樹脂錨固劑，2 支CK2340、2 支Z2388，其中CK2340 在內側，Z2388 在外側，預緊力不低于35 MPa，每根錨索配套規格為300 mm×300 mm×12 mm 高強度拱形托板及專用調心球墊和鎖具。采用長度8.0 m的預應力錨索將錨桿錨固區域主動懸吊至基本頂巖層，增強錨桿錨固強化區域范圍，充分發揮基本頂巖層的承載能力。

（3）梯子梁參數。錨桿采用梯子梁桁架連接，梯子梁桁架由Φ12 mm 鋼筋焊接而成，頂板梯子梁寬50 mm，長3.6 m，幫部梯子梁寬50 mm，長2.6 m。采用梯子梁桁架促使錨桿錨固范圍耦合，有效增加主動支護結構護表面積，進一步強化圍巖承載結構。

（4）金屬網參數。金屬網采用菱形金屬網，10#鐵絲編制而成，頂板金屬網規格為3.8 m×1.0 m，幫部金屬網規格為2.6 m×1.0 m，金屬網與網之間搭接長度不低于100 mm，每隔100 mm 用14#聯網絲雙股連接一道，每道不少于3 圈，所有聯網絲露頭一律彎向巖壁。菱形金屬網對巷道外露圍巖提供一定的反向支護力，可約束巷道圍巖碎脹變形，進一步避免巷道冒頂、片幫現象。

圖1 巷道支護斷面圖

圖2 頂板支護平面圖

4 圍巖控制效果分析

將提出的錨網索梁主動支護技術應用于1-1022巷，巷道掘進后，采用位移收斂儀監測了巷道變形情況，圖3 給出了巷道圍巖變形曲線圖。如圖3 所示，巷道大概可分為3 個階段：初期擾動快速變形階段、中期穩定緩慢變形階段以及后期穩定平衡階段。初期擾動快速變形階段發生在巷道出掘50 d 時間內，該范圍內，巷道變形速度最快，頂板變形速度約3.6 mm/d，幫部變形速度約2.58 mm/d；中期穩定緩慢變形階段發生在巷道掘進50～80 d時間內，該范圍內，巷道變形速度有所減緩，頂板變形速度約2.7 mm/d，幫部變形速度約1.9 mm/d；后期穩定平衡階段發生在巷道掘進80 d 后，該范圍內，巷道逐漸趨于穩定，巷道變形量極小。綜上所述，錨網索梁主動支護技術應用后，有效控制了巷道圍巖變形，實現了1-1022 巷圍巖的穩定控制。

圖3 巷道圍巖變形曲線圖

5 結論

巷道圍巖自身具備一定的承載能力，為充分發揮堅硬頂板巖層承載性能，分析了1-1022 巷堅硬頂板下巷道主動控制可行性，開發了堅硬頂板下錨網索梁主動控制技術。技術采用高強度、高剛度、高預緊力錨桿強化直接頂巖層力學性能，形成錨桿錨固主動控制區域，同時采用預應力錨索將錨固控制區域主動懸吊至基本頂巖層，增強錨固控制區域范圍，充分發揮基本頂巖層的承載能力。技術應用后，有效控制了巷道圍巖變形，實現了1-1022 巷圍巖的穩定控制。