煤礦巷道預應力錨索支護技術的實踐應用

劉 洋

（西山煤電（集團）有限公司馬蘭多種經營分公司， 山西 古交 030205）

1 項目概況

當前小孔徑樹脂錨固預應力錨索加固技術得到了全面的實踐應用，該錨索加固技術采用樹脂藥卷錨固，單體錨桿鉆機施工，安裝工序簡單，施工速度大幅度提高，因此得到各大煤礦的全面使用。西山煤電（集團）西曲礦對小孔徑樹脂錨固預應力錨索加固技術也進行了理論分析研究和實踐應用研究。

1）預應力錨索支護技術的機理分析，錨索支護參數設計，錨索長度、預應力、密度等參數的設計，為實踐應用提供技術支持。

2）自行設計1×19S-Φ21.8 多層絲預應力鋼絞線，該1×19S 結構鋼絞線設計為3 層絲結構，鋼絲根數為19 根鋼絲，同等規(guī)格的鋼絞線，鋼絲的直徑就會變細?？梢杂糜诟邚姸让旱V錨索支護設計用材料。

3）與江陰市礦山器材廠聯合開發(fā)MQT-85J 系列氣動錨桿錨索鉆機，可以實驗錨索鉆機的大扭矩和大推力要求。

4）對錨索預應力損失的影響因素和補償措施進行了研究。

2 預應力錨索支護技術的實踐應用

西曲礦基于小孔徑樹脂錨固預應力錨索支護技術的理論分析基礎上，對技術方案在該煤礦進行了全面的實踐應用。以該礦3324 工作面大斷面開切眼錨桿與錨索聯合支護和3325 工作面強烈動壓影響巷道全錨索支護為案例，進行了支護設計方案及效果分析研究[1-2]。

2.1 大斷面開切眼錨桿與錨索聯合支護的設計

2.1.1 開切眼地質與生產條件

西曲礦3324 工作面，煤層厚度為3.25～7.01 m，煤層平均厚度4.82 m；煤層傾角為2°～7°，煤層平均傾角5°；煤層直接頂為砂質泥容，平均厚度4.9 m，單軸抗壓強度為29～58 MPa；3324 工作面開切眼屬3 號煤層，沿其底板進行掘進，掘進斷面為矩形，斷面寬度×高度=7.6 m×2.8 m，巷道兩端斷面寬度×高度=9.6 m×2.8 m。

圖1 3324 工作面開切眼支護設計示意圖（單位：mm）

2.1.2 支護方案

針對3324 工作面開切眼巷道的實況，對其用有限差分法（FLAC3D）對設計方案及參數進行模擬，確定采用強力錨桿錨索聯合支護，來實現大斷面巷道支護的安全。支護設計方案如圖1 所示。頂板和靠采空區(qū)側幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿：采用樹脂加長錨固預緊力矩400 N·m；直徑Φ=22 mm；長度l=2 400 mm；屈服強度600 MPa，抗拉強度800 MPa；頂板和采空區(qū)側幫錨桿排間距分別為：1 000 m×900 mm、1 000 m×850 mm。工作面推進側幫采用玻璃鋼錨桿，直徑Φ=20 mm，長度l=2 000 mm；組合構件采用W 鋼帶，鋼帶厚度4 mm，并配合高強度拱形錨桿托盤；采用菱形金屬網護頂、護幫。頂板錨索采用1×19S-Φ21.8 多層絲預應力鋼絞線，直徑Φ=21.8 mm；長度l=8 300 mm，錨索錨固劑規(guī)格為快速K2335 樹脂錨固劑1 卷、中速Z2360 樹脂錨固劑2 卷，錨索預緊力不小于120 kN，錨固力250 kN。

2.1.3 支護效果

對3324 工作面巷道施工及結束過程進行了開切眼圍巖位移及支護體受力進行監(jiān)測，得到巷道預應力錨索支護受力監(jiān)測曲線，如圖2 所示。

圖2 巷道預應力錨索支護受力監(jiān)測曲線

從圖2 可知兩幫位移量不大，巷道第1 次掘進時兩幫總移近量、強力錨桿支護煤幫位移量、玻璃鋼錨桿支護煤幫位移量分別為77.2 mm、19.8 mm、54.9 mm；巷道第2 次掘進時兩幫總移近量、強力錨桿支護煤幫位移量、玻璃鋼錨桿支護煤幫位移量分別為31.4 mm、9.9 mm、24.7 mm。掘進中頂板下沉不明顯，變形量較小，錨桿預緊力保持在73～140 kN；錨索預緊力保持在100～420 kN 之間，錨索、錨桿受力狀態(tài)良好。該強力錨桿錨索聯合支護設計合理，可以有效控制開切眼圍巖的變形量。

2.2 強烈動壓影響巷道全錨索支護的設計

2.2.1 巷道地質與生產條件

西曲礦4325 工作面屬于強烈動壓影響巷道，煤層厚度為2.84～5.35 m，煤層平均厚度4.05 m；煤層傾角為3°～8°，煤層平均傾角6°；煤層直接頂為泥巖，平均厚度3.5 m；煤層基本頂為細砂巖，平均厚度3.9 m。瓦排巷沿4 號煤層頂板進行掘進，瓦排巷斷面為矩形，凈寬×凈高=4.0 m×3.2 m，該瓦排巷掘進過程中受4326 回采工作面的采動影響，動壓影響系數增大，巷道變形量會增大。

2.2.2 支護方案

針對4324 工作面瓦排巷的實況，對其用有限差分法（FLAC3D）對設計方案及參數進行模擬，確定采用全長預應力錨固，全斷面錨索支護設計，如圖3 所示。

支護參數：錨索采用1×19S-Φ21.8 多層絲預應力鋼絞線，直徑Φ=21.8 mm；長度l=4 300 mm，錨索錨固劑規(guī)格為快速K2335 樹脂錨固劑1 卷、中速Z2360 樹脂錨固劑2 卷。首先對錨索施加預應力,然后用水泥漿全長錨固錨索，接著使用錨索止?jié){塞封孔。頂板每排5 根錨索，排間距1 200 mm×900 mm；每幫每排3 根錨索，間距1 200 mm×900 mm。錨索托板為300 mm×300 mm×16 mm 高強度可調心注漿用托板，采用鋼筋網護頂、護幫，網孔尺寸100 mm×150 mm。該支護設計方案采用了高預應力的短錨索設計，有效的提高錨索預應力到300 kN。

2.2.3 支護效果

對4324 瓦排巷道表面位移情況進行監(jiān)測，得表面位移曲線，如圖4 所示。

圖3 全斷面錨索支護設計示意圖

圖4 4324 瓦排巷表面位移監(jiān)測曲線

從圖4 可知，4323 瓦排巷掘進前期巷道圍巖變形量非常小，左幫、右?guī)?、兩幫、頂底的表面班最大移近量分別為90 mm、80 mm、140 mm、120 mm。在掘進后期，受4326 回采工作面的采動影響礦壓顯現強烈；左幫、右?guī)?、兩幫、頂底最大移近量?50 mm、128 mm、220 mm、260 mm，相對掘進前期巷道變形量增幅較大，但是整個掘進期間瓦排巷無離層現象，圍巖變形量和位移較小，在合理的范圍之內。從瓦排巷表面位移監(jiān)測曲線可知，該全錨索支護設計方案有效合理。

3 存在的問題及改進建議

西曲礦井下巷道預應力錨索支護技術已得到了全面的應用，該礦在預應力錨索支護技術的理論研究和實踐應用方面取得了較好的研究成果。但是在實踐應用過程中，也發(fā)現了一些存在的問題，必須進行進一步的改進[3-5]。

1）在西曲礦的實踐應用過程中，對于錨索應用過度重視，造成錨索過長、過密現象，從而在一定程度上造成支護材料的浪費。需要從提高錨索預應力的角度來提高錨索支護效果。

2）錨索支護的材料與構件的適用面還不廣，必須針對不同地質條件，不同圍巖條件，設計更多的系列化的錨索結構。

3）要加強錨索受力情況的監(jiān)測，將支護效果進行數據化處理，有效提高錨索支護的安全性。

4 結論

預應力錨索支護技術在西曲礦特大斷面開切眼、強烈采動時影響巷道的實踐應用效果表明，預應力錨索支護技術能有效控制煤礦井下巷道圍巖的變形量，支護效果理想，為實現西曲礦高產高效安全的開采目標奠定了基礎。