堅硬頂板2S202-1回風巷全長預應力錨桿支護技術應用

陳曉毅

（山西鄉寧焦煤集團臺頭前灣煤業有限公司，山西 鄉寧 042100）

長期以來，我國以煤炭作為支撐國民經濟快速發展的重要基礎能源，雖然國家大力推廣能源結構向綠色發展，但短期內煤炭的主體消費能源地位不會改變，煤炭資源的安全開采直接關系到國民經濟的發展[1-2]。我國煤炭多采用井工開采，需要掘進大量的巷道，巷道圍巖穩定是保證煤炭資源安全開采的重要因素。針對巷道圍巖控制理論和支護技術，專家技術學者進行大量的理論研究與工程探索，目前形成了諸如懸吊理論、組合梁理論以及圍巖強度強化理論等控制理論，以及錨桿支護、型鋼支護等支護技術與手段。大量工程案例證明了錨桿支護技術的合理性，其具有施工速度快、支護效果好等優點，目前已得到廣泛應用，其中一些煤礦甚至實現了全覆蓋的應用[3-5]。

1 概況

臺頭煤礦2S202-1綜采工作面位于運輸大巷以南，北為采空區，西、南為保安煤柱，東側為2S202工作面，如圖1。工作面開采區域地面標高+1333～+1397 m，井下標高+1163～+1189 m。工作面開采2#煤層，順槽長度332 m，埋藏深度189 m，煤層結構較簡單，煤厚2.8～3.38 m，平均為3.0 m，含0～2層夾矸。頂板主要為粉砂巖，局部為泥巖或砂質泥巖，厚度為8.0 m，堅固性系數在12左右，屬于堅硬頂板巖層；底板多為泥巖，局部為粉砂巖。煤層傾角3°～8°，平均為5°。根據鉆孔揭露及地質資料顯示，該工作面在掘進期間運輸順槽、回風順槽均無斷層和陷落柱等導水構造。根據2S202-1回風巷生產地質條件和采掘設備布置的尺寸要求，設計2S202-1回風巷為矩形斷面，沿煤層頂板掘進，掘進寬度為4.5 m，掘進高度為3.0 m。

圖1 2S202-1回風巷采掘工程平面示意圖

2 堅硬頂板下全長預應力錨桿支護技術

2.1 全長預應力錨桿支護技術原理

預應力錨桿支護屬于主動支護方式，可主動改善巷道圍巖應力環境，提高巷道圍巖力學特性，形成主動承載結構，具有良好的支護效果。采用預應力錨桿支護時，錨桿可分為兩個區段，分別為自由段和錨固段。通過在自由段施加預緊力將預緊力形成預應力傳遞至錨桿桿體，當預應力傳遞至錨桿錨固段，預應力顯著衰減[6]。

全長預應力錨桿支護技術是采用不同凝膠時間的錨固劑（如慢速錨固劑和快速錨固劑），利用慢速錨固劑和快速錨固劑凝膠時間差，將預緊力充分傳遞至整個錨桿桿體，從而在錨桿桿體內部形成全長預應力。具體原理如下：安裝錨固劑時將快速錨固劑放置在內，慢速錨固劑放置在外，快速錨固劑快速凝膠后形成速凝錨固段，慢速錨固劑快速凝膠后形成緩凝錨固段。慢速錨固劑為凝膠時，緩凝錨固段相當于自由端，預緊力形成預應力可充分傳遞至緩凝錨固段。預應力主要包括錨桿軸應力和剪應力，錨桿軸應力傳遞至速凝錨固段開始出現衰減，而由于凝膠時間差，錨桿剪應力傳遞至速凝錨固段呈現先增加后減小的現象[6]。

2.2 堅硬頂板下全長預應力錨桿支護技術

由于2S202-1回風巷頂板賦存堅硬巖層，提出了堅硬頂板條件下全長預應力錨桿支護技術。該技術利用全長預應力錨桿支護技術原理，在巷道圍巖淺部形成全長預應力錨桿支護結構，同時采用加長錨索將形成的全長預應力錨桿支護結構錨固至堅硬頂板巖層，充分發揮堅硬巖層自身的承載能力。具體支護參數如下：

（1）頂板支護參數。頂板采用全長預應力錨桿+錨索支護，每排布置6根錨桿、2根錨索。錨桿采用Φ20 mm、長度24 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm。錨固劑選用1支CK2350、1支K2370型號的樹脂錨固劑。CK2350型號的樹脂錨固劑放置在內，K2370型號的樹脂錨固劑放置在外，利用慢速錨固劑和快速錨固劑凝膠時間差，將預緊力充分傳遞至整個錨桿桿體，在巷道圍巖淺部形成全長預應力錨桿支護結構。錨桿預緊力施加80 kN，錨桿配套規格150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盤及相互匹配的調心球墊、減摩墊圈。錨索采用直徑15.24 mm、長度6500 mm的鋼絞線錨索，間排距1600 mm×1600 mm。錨固劑選用2支CK2350、3支K2370型號的樹脂錨固劑，錨固方式同錨桿。錨索配套規格300 mm×300 mm×14 mm的蝶形托盤及相互匹配錨具。具體支護參數如圖2和圖3。

圖2 巷道支護斷面圖（mm）

（2）幫部支護參數。幫部采用全長預應力錨桿支護，每排布置4根錨桿，錨桿采用規格為Φ16 mm×L1800 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，錨固劑選用1支CK2350、1支K2370型號的樹脂錨固劑，錨固方式同頂板錨桿，錨桿預緊力施加80 kN，錨桿配套規格為150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盤及相互匹配的調心球墊、減摩墊圈。具體支護參數如圖4。

圖4 巷道幫部支護平面圖（mm）

3 圍巖控制效果分析

將開發的堅硬頂板下全長預應力錨桿支護技術應用于2S202-1回風巷，采用十字測試法監測回風巷在工作面采動影響下的圍巖變形情況。圖5、圖6分別給出了巷道幫部和頂底移近量監測結果。由圖可知，超前工作面距離越近，巷道變形速度越快。超前工作面45 m范圍內，巷道受采動影響最為明顯，移近量及移近速度相對較大。試驗巷道在工作面采動過程中，巷道變形均較小，巷道幫部累計移近量92 mm，回采幫累計移近量68 mm，非回采側累計移近量24 mm，頂底板累計移近量41 mm，頂板累計移近量26 mm，底板累計移近量15 mm。整體來說，2S202-1回風巷的變形均可控，證明了堅硬頂板下全長預應力錨桿支護技術和參數的可行性。

圖5 巷道幫部移近量

圖6 巷道頂底移近量

4 結論

該技術采用不同凝膠時間的錨固劑，利用錨固劑的凝膠時間差，將預緊力充分傳遞至整個錨桿桿體，從而形成全長預應力錨桿支護結構。基于臺頭煤礦2S202-1回風巷頂板賦存堅硬巖層的工程背景采用了堅硬頂板下全長預應力錨桿支護技術，工作面采動過程中，巷道圍巖變形均較小，幫部累計移近量92 mm，頂底板累計移近量41 mm，證明了堅硬頂板下全長預應力錨桿支護技術和參數的可行性。