預應力錨索支護技術在泥巖頂板巷道中的應用

摘 要：以平朔井工二礦21109主運巷施工條件為研究對象，探討泥巖頂板巷道圍巖變形破壞特征及其原因，理論分析高強度預應力錨索支護技術，設計合理的泥巖頂板支護方案，成功地運用于工程實踐，取得了良好的應用效果。

關鍵詞：預應力錨索；泥巖頂板；支護技術；圍巖變形

泥巖頂板巷道的圍巖穩(wěn)定性控制一直是頂板管理的難點和重點。此類巷道頂板通常具有黏聚力弱、節(jié)理和裂隙發(fā)育、強度低等特點，特別是在水、風等因素影響下，泥巖孔隙率提高、整體力學性質(zhì)下降，對于當前普遍采用的錨網(wǎng)支護巷道影響甚大，巷道開挖后永久支護不及時極易出現(xiàn)頂板離層、下沉，甚至局部冒落。因此，研究一種科學有效的支護方式對于解決該類條件下巷道的支護問題非常重要。

1 工程概況

21109主運巷沿11煤層底板掘進，矩形斷面，巷道規(guī)格5×3.5（寬×高）=17.5m2。11#煤層厚平均3.8m，煤層傾角平均3°，老頂以細粒砂巖為主，平均厚3.1m；直接頂以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚4.18m；底板以粉砂巖為主，平均厚7.49m。巷道采用錨索網(wǎng)聯(lián)合支護形式。巷道設計施工長度1605m，掘至1500m及拐彎掘進320m長21109工作面切眼時，遇到1.5m厚泥巖直接頂，導致原2.4m長頂錨桿支護不理想，錨固力差，有時需架11#工字鋼棚輔助支護，掘進效率大大降低。

2 頂板圍巖變形破壞特征及原因分析

2.1 泥巖頂板巷道圍巖變形破壞特征

1）變形量方面：巷道圍巖變形不同地段差異較大，淺部圍巖裂隙發(fā)育變形量大，而深部圍巖破裂較少變形量較小[ 1 ]。

2）變形速度方面：巷道開挖初期，圍巖變形速度較大，隨時間推移，速度逐漸降低，最后趨于平穩(wěn)；淋水對頂板強度影響較大，圍巖在變形速度趨于平穩(wěn)后仍會長時間保持流變狀態(tài)。

2.2 泥巖頂板變形破壞原因

1）圍巖物理力學性質(zhì)。21109工作面切眼附近區(qū)域頂板巖性主要為泥巖、砂巖和粉砂巖，局部有泥巖或炭質(zhì)泥巖。頂板巖體結構松散，節(jié)理發(fā)育，強度低，且抗水浸和抗風化能力差，易軟化；巖石抗壓及抗變形能力差，頂板為不穩(wěn)定巖層，屬易冒落的松散頂板。

2）地質(zhì)構造影響。21109工作面布置在斷層附近，在掘進時共揭露斷層10條，非常不利于巷道掘進和頂板管理。受斷層影響，巖石裂隙發(fā)育，層間滑移構造較多，易形成導水通道，直接頂泥巖受水的弱化強度下降，使巷道變形加劇。

3 高預應力錨索支護設計依據(jù)

1）錨索預應力。錨索預應力一般為其拉斷載荷的40%～60%。井工二礦錨索采用1×7結構的高強度低松弛鋼絞線，公稱直徑17.8mm，拉斷載荷353kN，設計預應力150～200kN。高預應力有利于錨固力的有效擴散，保持支護系統(tǒng)較高的支護強度、剛度，避免圍巖離層、滑動，控制圍巖初期大變形[ 2 ]。2）錨索長度。錨索應錨固在圍巖內(nèi)部相對較穩(wěn)定的巖層中，確保錨固效果。實踐證明，高預應力的短錨索支護效果比低預應力的長錨索支護效果好。井工二礦11煤巷道位于9煤采空區(qū)下施工，部分區(qū)域?qū)娱g距2.1～4.8m，錨索長度有3.3m、4.3m兩種選擇。3）錨索密度。盲目增加錨索密度，會提高支護成本、增加支護時間、降低掘進工效。因此，應盡量提高單根錨索的預應力、強度，根據(jù)圍巖力學性質(zhì)，保證支護效果與安全，科學制定支護方案，降低支護密度，提高掘進單進水平。4）錨索布置方式。錨索垂直巷道表明布置時，預應力擴散與疊加效果最好，因此，井工二礦11#煤層傾角平均3°，屬于近水平煤層，頂錨索設計垂直頂板布置。5）強破斷力與高延伸率。錨索拉斷載荷353kN，延伸率4%，能允許巷道圍巖有一定的變形和整體位移，當圍巖變形較大時，其高破斷力可將軟弱直接頂懸吊在深部穩(wěn)定巖層中充分發(fā)揮深部圍巖承載力，增強支護體穩(wěn)定性[ 3 ]。

4 工程實踐及應用效果分析

4.1 泥巖頂板巷道支護方案

1）短錨索頂板支護：將原Φ22×2400mm頂錨桿全部替換為Φ17.8×3300mm的短錨索，短錨索垂直頂板，每排6根，間排距900×1000mm；加長錨固，采用1支K2335和2支Z2360樹脂藥卷，錨固長1.4m，預緊力150kN；網(wǎng)片為Φ4mm鋼筋焊接方格網(wǎng)，規(guī)格3000×1300mm；配合4800×280×10mm的W鋼帶護頂。

2）巷幫支護：采用Φ18m×1700mm圓鋼錨桿，每排3根，間排距1200×1000mm；最上部錨桿與水平線10°夾角，其余垂直巷幫；托盤規(guī)格為200×200×8mm；網(wǎng)片為3000×1300mm菱形金屬網(wǎng)；采用1支K2335樹脂藥卷，端錨，錨固長400mm；設計扭矩150N·m。

3）補強支護：根據(jù)頂板巖性及層間距變化，采用Φ17.8×4300mm/5500mm/7300mm鋼絞線，垂直頂板布置，每排3根，間排距1800×2000mm；托盤300×300×12mm；加長錨固，采用1支K2335和2支Z2360樹脂藥卷，錨固長1400mm；初始鎖定張拉力150kN；配合W鋼帶護頂。

4.2 應用效果分析

巷道礦壓觀測表明，采用預應力錨索技術后，泥巖頂板巷道維護較好，圍巖變形得到有效控制。巷道開挖初期變形破壞劇烈、變形速度快，隨時間推移，變形速度逐漸減小，15d后，圍巖變形量趨于穩(wěn)定，高強度的預應力錨索支護系統(tǒng)得到充分發(fā)揮，使得巷道頂板下沉量最大不超過180mm，兩幫小于140mm，滿足巷道正常使用。

5 結論

1）泥巖頂板巷道變形量呈現(xiàn)非均勻性，淺部圍巖裂隙發(fā)育，深部圍巖破裂較少；變形速度具有階段性，巷道開挖初期，圍巖變形速度較大，隨時間推移，速度逐漸降低，最后趨于平穩(wěn)。

2）泥巖頂板巷道破碎嚴重、錨桿支護效果差時，采用3.3m長短錨索替換錨桿支護，充分發(fā)揮短錨索預應力高、破斷力強、延伸率大的優(yōu)點，能夠適應該類巷道圍巖變形破壞特點。

參考文獻：

[1] 馬念杰，侯朝炯.采準巷道礦壓理論及應用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1995.

[2] 陳炎光，陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1994.

[3] 康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

作者簡介：

薛李建（1986-），男，山西晉城人，助理工程師，2011年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在井工二礦從事安全管理相關工作。