高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)應用研究

畢璐璐

（山西高平科興米山煤業(yè)有限公司，山西 高平 046700）

1 工程概況

山西高平米山煤礦開采15#煤層，平均埋深約200 m，平均厚度2.96 m，傾角3°～8°。15#煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，僅局部含少量夾矸，其頂板為K2 灰?guī)r、泥巖等，底板為泥巖、鋁土質(zhì)泥巖等。15#煤層的綜合地質(zhì)柱狀圖如圖1。

圖1 15#煤層綜合地質(zhì)柱狀圖

目前，一采區(qū)的資源基本回收完畢，為確保生產(chǎn)接替有序，開始布置二采區(qū)運輸巷。二采區(qū)運輸巷呈南北走向布置，其北為三條大巷，以西為二采區(qū)回風巷，兩者間的保護煤柱寬30 m，以東為未開采實體煤，井下相對位置如圖2。二采區(qū)運輸巷沿15#煤層頂板掘進，矩形斷面，凈寬5.3 m，凈高3.0 m。

圖2 井下相對位置示意圖

此前，15#煤層的巷道支護主要采用架棚支護，不僅巷道掘進成巷速度慢、工人勞動強度大，而且部分巷道在強采動影響下表現(xiàn)為非線性大變形破壞，嚴重制約井下安全高效生產(chǎn)。

2 高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)

根據(jù)15#煤層巷道架棚支護存在的問題，結(jié)合二采區(qū)運輸巷的工程地質(zhì)條件，提出了以“高強協(xié)同、高預應力”為核心的錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)。通過錨桿索的高預應力、高強主動支護，可有效減小支護密度，縮減施工時間，提高成巷速度，降低工人勞動強度。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）高強支護。在選材上錨桿采用左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿，直徑20 mm，屈服強度不小于400 MPa，極限破斷載荷不低于217 kN，并配套高強托盤和高強螺母，提高主動支護系統(tǒng)的整體剛度；在技術(shù)上采用樹脂加長錨固，增加錨桿錨固黏結(jié)長度，提高整個錨固系統(tǒng)剛度[1]，從而增強錨固區(qū)域的抗變形能力，實現(xiàn)錨桿高強支護。

（2）高預應力。只有對錨桿施加足夠大的預緊力，才能有效改善圍巖力學性能，控制圍巖內(nèi)部裂紋的萌生發(fā)育，真正實現(xiàn)錨桿的高強主動支護[2-3]。為確保二采區(qū)運輸巷錨桿的高強主動支護，頂板錨桿的安裝預緊扭矩不小于350 N·m（實測預緊力為58 kN 左右），兩幫安裝預緊扭矩不小于200 N·m（實測預緊力為30 kN 左右）。

（3）協(xié)同支護。錨桿支護僅可控制其長度范圍內(nèi)的淺部圍巖變形，對深部圍巖的作用影響較小[4-5]。為保證巷道圍巖的長期穩(wěn)定，選用直徑為17.8 mm 的1×7 股高強度、低松弛鋼絞線錨索，極限破斷載荷353 kN，將深部圍巖與淺部圍巖有機結(jié)合起來，形成更大范圍的復合錨固承載結(jié)構(gòu)，確保深部圍巖與淺部圍巖的變形協(xié)同。

2.2 圍巖控制方案

（1）頂板高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護

每排布置5 根MSGLW400 左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿，規(guī)格Ф20 mm×2200 mm，配150 mm×150 mm×10 mm 穹形高強鋼制托盤和高強螺母，間排距1200 mm×1300 mm；每根錨桿采用MSK2335 型和MSZ2360 型樹脂錨固劑各1 卷，錨固長度1.3 m，預緊扭矩不小于350 N·m。錨桿鋼帶選用寬80 mm、厚4 mm 的平鋼帶，限位孔中心距1200 mm；金屬網(wǎng)由Ф4 mm 冷拔鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔規(guī)格80 mm×80 mm。

頂板錨索采用1×7 股高強度低松弛鋼絞線錨索，規(guī)格為Ф17.8 mm×6300 mm，配300 mm×300 mm×15 mm 穹形高強鋼制托盤和配套鎖具，每排2 根，間排距2400 mm×5000 mm。每根錨索采用MSK2335 型樹脂錨固劑1 卷，MSZ2360型2 卷，錨固長度1.75 m，要求初始張拉力150 kN，損失后不小于120 kN。

（2）幫部高預應力高強錨網(wǎng)主動支護

每幫每排布置3 根Ф20 mm×2200 mm 的MSGLW400 高強螺紋鋼錨桿， 同樣配套150 mm×150 mm×10 mm 穹形高強鋼制托盤和高強螺母，間排距1200 mm×1300 mm。錨桿錨固劑用量同頂板錨桿，預緊扭矩不小于200 N·m。鋼帶和金屬網(wǎng)的規(guī)格參數(shù)同頂板。

二采區(qū)運輸巷為整個采區(qū)服務，服務年限較長，對表面進行噴射混凝土支護，混凝土強度標號C20，噴層厚度不小于100 mm。二采區(qū)運輸巷支護斷面圖如圖3。

圖3 二采區(qū)運輸巷支護斷面圖（mm）

3 現(xiàn)場工業(yè)試驗

3.1 支護效果分析

為檢驗高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)的實施效果，布置多個觀測站對二采區(qū)運輸巷表面位移進行監(jiān)測，其中具有代表性測站2的位移曲線如圖4。

根據(jù)圖4 可知，巷道掘出以后，圍巖體開挖卸荷發(fā)生塑性變形。高強錨網(wǎng)索支護后圍巖變形迅速趨于穩(wěn)定，頂?shù)装逡平冃畏€(wěn)定在22 mm 左右，兩幫移近變形穩(wěn)定在16 mm 左右，表明高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)應用成效顯著，可保證巷道圍巖長期穩(wěn)定。

圖4 巷道表面位移曲線

3.2 掘進效率分析

二采區(qū)運輸巷的掘進工作采用“三八”制，兩班生產(chǎn)掘進，一班運料檢修。每個生產(chǎn)班可完成2.5～3 循環(huán)，循環(huán)進尺2 m，日進尺10～12 m，較原架棚支護日進尺6～9 m 的掘進效率得到顯著提升，同時工人的勞動強度也明顯降低。

4 結(jié)論

（1）提出了高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)，進一步明確了“高強支護、高預應力、協(xié)同支護”為核心的關(guān)鍵支護技術(shù)要點。

（2）現(xiàn)場工業(yè)試驗表明，高預應力高強錨網(wǎng)索主動支護技術(shù)應用成效顯著：巷道頂?shù)装逡平冃巫罱K穩(wěn)定在22 mm 左右，兩幫移近變形穩(wěn)定在16 mm 左右，圍巖變形得到有效控制；掘進成巷日進尺10～12 m，較原架棚支護日進尺6～9 m 的掘進效率得到顯著提升。