高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護技術(shù)在采空側(cè)巷道的應(yīng)用

王素立

1 工程背景

陽煤一礦81303工作面地面標(biāo)高+1122～+1224 m，井下標(biāo)高+634～+683 m，埋深為488～541 m。工作面煤厚5.7～7.3 m，平均6.55 m。煤層直接頂為黑色泥巖，厚度約1.09 m，老頂為石灰?guī)r，由2～4層灰?guī)r夾泥巖組成，裂隙較發(fā)育，厚度為11.75 m；煤層偽底為泥巖，厚度為0.05～0.10 m，直接底為砂質(zhì)泥巖，裂隙發(fā)育，厚度為3.59 m。

81303工作面低抽巷，設(shè)計長度1600 m，位于煤層上方約10 m，與回風(fēng)巷間水平距離40 m，沿石灰?guī)r中部泥巖掘進，為巖石巷道。

圖1 81303工作面巷道布置

2 原支護方案合理性分析及評估

81303低抽巷原支護設(shè)計見圖2、表1。

圖2 原錨網(wǎng)索支護布置

巷道掘進前630 m范圍內(nèi)受到臨近81301工作面采空側(cè)的回采動壓影響和81303回風(fēng)巷的掘進擾動影響，巷道動壓影響明顯，頂板下沉、開裂，兩幫破碎、底鼓劇烈，巷道雖然采區(qū)錨索補強和支棚加強支護，但由于原支護設(shè)計預(yù)應(yīng)力低，主動支護效果差，無法有效控制巷道變形，巷道頂板和兩幫圍巖持續(xù)發(fā)生移動、拉伸、剪切破壞，導(dǎo)致巷道頂?shù)滓平孔畲?.1 m；兩幫移近量最大2 m，原支護設(shè)計已無法滿足礦井安全生產(chǎn)要求。為了解決相鄰采空側(cè)巷道掘進礦山壓力大，巷道變形嚴(yán)重支護困難這一難題，一礦在相鄰采空側(cè)工作面低抽巷開展了高預(yù)應(yīng)力錨桿支護技術(shù)的試驗和應(yīng)用。

3 高預(yù)應(yīng)力支護系統(tǒng)

3.1 作用機理

高預(yù)應(yīng)力支護主要目的在于控制錨固區(qū)內(nèi)圍巖的滑動、離層、新裂紋產(chǎn)生、裂隙張開等擴容破壞與變形，從而增強圍巖自身的抗壓強度，改變圍巖的受壓狀態(tài)，有效抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，最大限度地保持錨固區(qū)圍巖的整體性，提高錨固范圍內(nèi)圍巖的整體穩(wěn)定性和強度。與傳統(tǒng)被動支護相比，增大了支護對圍巖錯動、離層、滑動的抑制作用，極大的發(fā)揮了主動支護作用；其次在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大的次生承載結(jié)構(gòu)，阻止錨固區(qū)外巖層產(chǎn)生離層，有利于改善圍巖深部的應(yīng)力分布狀態(tài)，能形成的承載結(jié)構(gòu)更大。

3.2 支護方案及參數(shù)設(shè)計

由于錨桿預(yù)應(yīng)力的大小對支護效果非常重要，但單根錨桿預(yù)應(yīng)力的作用范圍是很有限的，必須通過托板、鋼帶和金屬網(wǎng)等配件將錨桿預(yù)應(yīng)力擴散到離錨桿更遠(yuǎn)的圍巖中。通過數(shù)值模擬分析，并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，確定81303工作面低抽巷采用高預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索組合支護系統(tǒng)進行采空側(cè)巷道支護如表1所示。

（1）頂板支護

頂錨桿使用20#左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，長度2.0 m，鋼號335號，錨桿尾部螺紋為M22。錨固劑規(guī)格為MSCK2360。鉆孔直徑28 mm，錨固長度為800 mm，設(shè)計錨固力強度不低于110 kN。錨桿配件采用高強錨桿配套螺母M22，采用高強托板調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托板采用拱型高強度托板，高度不小于36 mm，托板尺寸大小為150 mm×150 mm×10 mm，承載能力不小于155 kN。鋼帶采用W鋼帶，鋼帶長度3700 mm，寬度280 mm，厚度4 mm。巷頂鋪設(shè)菱形網(wǎng)，材料為10#鐵絲，網(wǎng)孔規(guī)格40 mm×40 mm，網(wǎng)片規(guī)格5000 mm×1100 mm，兩網(wǎng)之間搭接寬度100 mm，采用16#鐵絲聯(lián)接，雙邊雙絲梳辮法孔孔相連，并且不得少于3扣。每排布置5根頂錨桿，錨桿間距875 mm，排距1000 mm。錨桿預(yù)緊扭矩不得小于400 N·m，不大于500 N·m。錨索規(guī)格為1×7股的Φ17.8 mm高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度5200 mm，鉆頭直徑28 mm。采用規(guī)格為MSK2860樹脂錨固劑，錨固長度為1360 mm。錨索托板配套300 mm×300 mm×16 mm可調(diào)心高強度托板及配套鎖具，高度不低于65 mm，承載能力不低于350 kN。頂錨索每間隔一排布置2根錨索，錨索間距1700 mm，排距2000 mm，要求錨索預(yù)緊力超張拉至230 kN，損失后不低于180 kN。

（2）巷幫支護

幫錨桿采用20#左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，長度2.0 m，鋼號為335號，錨桿尾部螺紋為M22。采用MSCK2860樹脂錨固劑，錨固長度為800 mm，幫錨桿設(shè)計錨固力不小于105 kN。配件使用高強錨桿螺母M22，配套高強托板、尼龍墊圈和調(diào)心球墊，托板采用高強度拱型托板，高度不小于36 mm，托板尺寸不小于150 mm×150 mm×10 mm，設(shè)計承載力不小于154 kN。幫托板采用W鋼護板護幫，鋼護板長450 mm，寬280 mm，厚4 mm。巷幫鋪設(shè)菱形網(wǎng)，金屬網(wǎng)材料為10#鐵絲，網(wǎng)片規(guī)格5000 mm×1000 mm，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，兩網(wǎng)間搭接寬度不少于100 mm，采用16#鐵絲聯(lián)接，雙邊雙絲梳辮法孔孔相連，且不得少于3扣。巷幫每排布置3根幫錨桿，錨桿間距1000 mm，排距1000 mm，錨 桿預(yù)緊扭矩不小于400 N·m，不大于500 N·m。

圖3 高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護布置

表1 兩種支護參數(shù)對比

4 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及支護效果評價

高預(yù)應(yīng)力錨桿支護工藝從2016年8月7日夜班開始，試驗地點從81303低抽巷約890 m處開始，截至2016年11月20日，施工了105天，掘進325排，約300 m。同時進行了兩個測站的安裝和監(jiān)測工作，第一測站位于新支護掘進的70排處，第二測站位于新方案掘進的150排處，每個測站監(jiān)測內(nèi)容包括：巷道表面位移量、錨桿錨索受力監(jiān)測。

圖4 1#測站表面位移監(jiān)測曲線

圖5 2#測站表面位移監(jiān)測曲線

通過兩組測站的表面位移監(jiān)測可知，巷道兩幫的最大變形量為47 mm，頂板的最大變形量為31 mm?？傮w來看，巷道整體變形相對于巷道斷面尺寸變形量比例較小，能滿足當(dāng)初預(yù)計的變形要求。從變形時間來看，巷道的變形量主要集中在掘進工作面30 m范圍內(nèi)，超過此范圍巷道的變形量趨于穩(wěn)定，巷道圍巖變形量和變形速度較小，巷道支護效果理想，也說明巷道掘進期間圍巖變形得到有效的控制。

5 結(jié)語

通過對81303工作面低抽巷高預(yù)應(yīng)力施工工藝的應(yīng)用，將原來圓鋼錨桿改為335號螺紋鋼錨桿，錨桿預(yù)緊力矩從150 N·m增加至400 N·m，錨索預(yù)應(yīng)力從150 kN增加至230 kN，在巷道掘進初期能夠給圍巖施加相應(yīng)的高預(yù)應(yīng)力，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現(xiàn)，發(fā)揮主動支護作用，巷道頂板和兩幫得到有效控制，保證了巷道支護的效果。在此基礎(chǔ)上，巷道支護排距從0.9 m提高至1.0 m，支護密度降低，實現(xiàn)了高強度、高剛度、高可靠性和低支護密度“三高一低”支護理念和安全、經(jīng)濟與合理的設(shè)計理念，開辟了相鄰采空側(cè)巷道支護的新思路，在陽泉礦區(qū)相鄰采空側(cè)巷道支護技術(shù)優(yōu)化進程中具有非常積極的意義。

〔1〕蔣金泉，王國際，張登明.等.礦山壓力與巖層控制[D].中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007（11）.

〔2〕康紅普，王金華，等.煤礦錨桿支護支護理論與成套技術(shù).煤炭工業(yè)出版社，2007（11）.

〔3〕邵國榮.厚煤層大采高綜放開采巷道圍巖控制技術(shù)研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.

〔4〕陳 勇.沿空留巷結(jié)構(gòu)運動穩(wěn)定機理與控制研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2012.

〔5〕王竹春，李軍偉.深井軟弱圍巖巷道變形破壞機理及支護技術(shù)研究.煤炭科學(xué)技術(shù)，2017（4）.