基于預應力鋼棒支護的離層巷道支護技術的應用

上官軍衛

（山西晉能控股煤業集團沁秀公司岳城煤礦， 山西 晉城 048006）

1 現場概況

岳城煤礦主采3 號煤層，煤層平均厚度3.36 m，分層開采。1308 工作面位于一盤區大巷以北，1307工作面以西，1309 工作面以東，礦界以南。13081 巷為工作面進風順槽巷道，巷道標高441.0～503.0 m，地面標高955.0～860.0 m。巷道直接頂和老頂均為砂質泥巖，平均厚度3.63 m，黑色，質軟不堅硬，層理發育，巖芯堅硬，完整，屬中等不穩定頂板。自2019年9 月初開始施工13081 巷掘進開口以來，巷道礦壓顯現強烈，頂板壓力極大，頻繁出現錨索異常聲響，頂板托盤四角翹起及頂板離層儀變化較快等異常情況，尤其是采用全錨索支護后圍巖變形仍未得到有效控制。因此有必要分析確定巷道強烈變形的原因，針對性提出科學合理的支護參數，解決巷道支護難題。

2 理論計算

預應力是鋼棒支護系統的決定性參數。在高預應力下，鋼棒支護產生的附加應力場應力值大，形成的壓應力區范圍廣，有效壓應力區幾乎覆蓋了整個頂板，形成有機的整體[1]，鋼棒的主動支護作用得到充分發揮。

根據現場實際情況，利用工程類比法及現場經驗選擇錨固法加固頂板，采用自然平衡拱原理作為鋼棒支護設計的數學模型，通過巷道圍巖層間的關系來確定巷道支護的鋼棒參數。根據《采礦工程設計手冊》和《煤巷錨桿支護理論與成套技術》[2]，經計算可得：鋼棒長度取值應不小于2.40 m，合理取值為2.70 m；直徑取值應不小于16 mm；錨索長度應不小于4.484 m；鋼棒間距不應大于1.34 m，鋼棒排距不應大于1.34 m。

3 支護設計

3.1 頂板支護

如圖1 所示，頂板支護為鋼棒和錨索聯合支護，其中：鋼棒采用屈服強度≥1 100 MPa 的（20-2700左旋無縱筋預應力鋼棒，搭配鋼棒鎖具和高強度托板，排距10 00 mm，每排5 根鋼棒，鋼棒間距1 050 mm，垂直頂板打設，鋼棒鉆孔2 400 mm，外露150 mm；錨固劑采用MSK2335、MSZ2360 各1 支進行全長預應力錨固，鉆頭直徑（28 mm，錨固長度為1 309 mm， 錨 固 力 不 小 于 250 kN； 表 面 采 用BHW235/280/4-4500-5 的 W 鋼帶和 3 000 mm×1 200 mm 鋼筋塑料網兩邊壓邊。預應力鋼棒初始張拉至250 kN，損失后不低于200 kN。

錨索采用SKP22-1/1720-7400 高強度礦用鋼絞線錨索，沿巷道中間垂直打設每排3 根，間距1 500 mm，距幫1 066 mm，排距1 000 mm，采用 1 支MSK2335 和2 支MSZ2360 樹脂藥卷錨固，鉆頭直徑（28 mm，錨固長度2 733 mm，表面采用5 132 mm 的12 號工字鋼梁，預緊力損失后大于250 kN，考慮到預應力損失要求現場施工時超張拉至310 kN。

3.2 兩幫支護

如下頁圖2 所示，兩幫支護形式與頂板支護類似，鋼棒排距為1 000 mm，每幫每排2 根鋼棒，鋼棒間距1 050 mm，距頂、底分別為1 550 mm、600 mm，垂直巷幫打設，錨固長度為1 309 mm，預應力鋼棒初始張拉至150 kN，損失后不低于100 kN。錨索采用SKP22-1/1720-4300 型高強錨索，每排每幫布置1 根錨索，錨索距頂500 mm，排距1 000 mm，全都垂直煤幫打設，預緊力損失后大于150 kN，考慮到預應力損失，要求現場施工時超張拉至210 kN。

圖1 頂板支護示意圖（單位：mm）

圖2 巷幫支護示意圖（單位：mm）

4 現場實施

13081 巷于 2019 年 9 月開始施工，自 450 m 處以里設置綜合礦壓觀測站，分別對巷道表面位移、鋼棒受力及頂板離層情況進行現場觀測。

巷道表面位移監測結果表明：隨著距離掘進頭距離的增加，巷道位移量逐漸增大，28 m 之后巷道變形基本趨于穩定。頂板最大下沉量為18 mm，兩幫移近量最大為156 mm，總體來看變形量很小。

在觀測范圍內選取不同預緊力的兩組鋼棒進行受力觀測，其中1 號預緊力為40 kN，2 號預緊力為120 kN。觀測結果見圖3。

圖3 不同預緊力條件下鋼棒的受力情況

大部分鋼棒初始預緊力為100～120 kN，最大的特點是鋼棒施加較高的預應力后，鋼棒受力受掘進的影響不大，鋼棒受力變化不大，基本趨于穩定。說明鋼棒預緊力設計合理，能夠很好地控制巷道圍巖變形，防止圍巖離層、破碎擴容的發生，保持其完整性，充分發揮其主動支護作用[3]。

從離層儀監測結果來看，絕大部分離層儀顯示離層值為0，說明預應力錨棒支護系統有效地保障頂板的穩定，頂板基本沒有發生離層現象。

5 結論

采用高預應力鋼棒支護工藝，當鋼棒長度的合理取值為2.70 m，直徑為16 mm，間排距為1.34 m時，現場頂板、兩幫能夠被有效支護，且巷道表面位移和頂板離層均在設計允許范圍之內，說明鋼棒預緊力設計合理。該設計方案能夠很好地控制巷道圍巖變形，防止圍巖離層、破碎擴容的發生，保持其完整性，充分發揮了鋼棒的主動支護作用。