高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護技術(shù)在半煤巖巷中的應(yīng)用

李建龍

（陽煤集團山西平舒煤業(yè)有限公司，山西 陽泉 045400）

井巷支護實踐表明，預(yù)應(yīng)力錨固能夠有效確保圍巖始終處于受壓狀態(tài)，抑制圍巖出現(xiàn)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(xiàn)井巷的穩(wěn)定性［1-4］。平舒礦業(yè)以往對預(yù)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(yù)緊力普遍較低，一般預(yù)緊力距100～120 N·m，預(yù)緊力為15～25 kN，甚至預(yù)緊力為0，嚴重的影響了錨網(wǎng)支護效果。為了提高井巷支護質(zhì)量，平舒礦業(yè)針對地應(yīng)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(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)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(fēng)巷，北部為東回風(fēng)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(gòu)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(fēng)運煤、回風(fēng)運料和瓦斯抽采，設(shè)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(zhì)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(zhì)泥巖和均厚1.9 m的82#煤層，基本底為均厚1.64 m的砂質(zhì)泥巖。工作面水文地質(zhì)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(xiàn)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(shè)計尺寸（高×寬）為2850 mm×4200 mm，為提高支護質(zhì)量，該巷道采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護。

2 普通錨網(wǎng)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(wǎng)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(yù)緊力分別為120 N·m和60 N·m，幫錨索和頂錨索均采用規(guī)格Φ15.24 mm×4200 mm的鋼絞繩，錨索間排距為1800 mm×1800 mm，金屬網(wǎng)孔100 mm×100 mm。

通過現(xiàn)場觀測，巷道破壞表現(xiàn)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(nèi)擠收斂，由測量結(jié)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(shè)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(gòu)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(xiàn)象；個別鋼帶出現(xiàn)撕裂現(xiàn)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(dāng)，對地應(yīng)力估計不足，支護參數(shù)和支護材料設(shè)計不合理，針對巷道地質(zhì)構(gòu)造變化沒有采取針對性支護優(yōu)化。

3）構(gòu)造帶附近巖體破壞突發(fā)性大：在斷層、頂板破碎帶等構(gòu)造附近，頂板巖層穩(wěn)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(fā)生離層和頂板冒漏現(xiàn)象，而支護未針對構(gòu)造的存在采取針對性支護優(yōu)化，不利于巷道穩(wěn)定。

3 高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護應(yīng)用

3.1 高預(yù)應(yīng)力支護理論

高預(yù)應(yīng)力支護理念是指從錨桿、錨索支護作用原理出發(fā)，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(yù)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(yù)緊力。通過提高支護預(yù)緊力，可盡早控制圍巖出現(xiàn)早期的變形和離層，確保巷道圍巖的完整性和強度，充分調(diào)動圍巖自承載能力，提高其穩(wěn)定性，真正實現(xiàn)巷道的主動支護。

3.2 高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護方案

針對81#煤層地應(yīng)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(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)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(shù)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(guī)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(diào)心拱形鋼托盤，錨桿間距900 mm，每盤2.5根；錨索選用規(guī)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(diào)心拱形鋼托盤；金屬網(wǎng)網(wǎng)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(yù)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(jīng)緯網(wǎng)進行護頂，W鋼帶規(guī)格（長×寬×厚）為4000 mm×280 mm×4 mm。

（2）巷幫支護：錨桿選用規(guī)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(yù)緊力不低于300 N·m。同時，采用金屬經(jīng)緯網(wǎng)進行護頂。

3.3 支護效果分析

為了掌握高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)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?shù)鬃冃位痉€(wěn)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(shè)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(jié)果表明，81117工作面專用抽采措施巷采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)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(yù)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(jiān)測曲線

4 結(jié)語

選用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護能夠有效抑制圍巖出現(xiàn)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(fā)揮自承載能力，提高巷道的穩(wěn)定性。從81117工作面專用抽采措施巷支護效果可以看出，高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護在礦井半煤巖巷是成功的，能夠通過發(fā)揮其主動支護作用提高巷道穩(wěn)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(chǎn)需要，達到巷道預(yù)期支護目的，高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)支護技術(shù)值得在礦井推廣應(yīng)用。