高预应力支护技术在潞新矿区的应用

摘要：通过分析潞新矿区现存的支护问题，决定采用高预应力支护技术来解决部分支护难题，即大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度，有效控制围岩变形。在潞新二矿地质构造影响段进行了全断面短锚索强力支护试验，结果表明锚索在施加200-250kN预紧力后，受力增加相对不大，巷道变形减小约90%，顶板离层较小，巷道变形得到控制。

关键词：高预应力支护 地质构造段 全断面锚索

1 概述

巷道支护的成败是关系矿井能否安全高效开采的关键。巷道支护技术的发展也逐渐进入到新的阶段，由原来的纯被动支护（如木支护、钢棚支护等）到普通锚杆支护，再到高强锚杆支护，再到高预应力强力支护。现代煤矿巷道设计均采用高强度锚杆支护形式，这种支护系统稳定安全，支护效果较好。但是在复杂困难巷道中这种支护结构成本高，效果差，不能满足要求[1]。支护技术的每一次进步，带来的都是产业的革新，最终的受益者都是煤矿企业。

2 潞新矿区现有支护状况

潞新公司是潞安集团整合原哈密矿务局后成立的，虽然经过多年的发展，矿区的支护技术也在逐渐进步，但仍与先进技术存在一定的差距。经过井下多次调研，发现潞新矿区各矿普遍存在以下问题：一是支护材料不符合规范；二是施工工艺不规范，施工质量差；三是不重视矿压监测。导致初期支护强度和刚度较低，锚杆、锚索支护构件之间的匹配性差，总体支护不能满足巷道变形的要求，采取架设工钢棚、打设点柱等联合支护措施，仍不能保证顶板的安全。

3 高预应力支护理念及应用

高预应力支护理论是现有理论中最为有效、成套技术最为成熟的技术，在国内已推广了多年并取得了较好的效果。 该支护理论的原理是，大幅度初期支护的强度和刚度，对围岩变形进行有效控制，使之保持完整，从而降低煤岩体强度。采用高预应力、强力支护，尽可能按照设计要求一次支护成型，避免二次支护和巷道维修[2-3]。复杂困难巷道一次支护须关注几个重要节点：一是支护系统的延伸率必须达到设计标准，巷道围岩的变形和位移不得超出可控范围；二是初期支护的刚度、强度必须满足设计要求，这样才能对围岩变形进行有效控制，防止离层、滑动、裂隙张开，避免生成新裂纹，以提高围岩的稳定性；三是确保巷道支护系统安全稳定，且必须经济合理，技术可行，以期达到节本降耗；四是支护体系应用效果好。操作方便是井下施工对支付系统的一个基本要求，一套稳定的支护系统有助于加强施工管理，同时能提高掘进速度。

4 潞新二矿高预应力支护试验

潞新公司二矿西翼采区W4203皮带巷，沿4#煤顶板掘进，煤层平均厚度为7.2m，倾角5～9°。东面与皮带下山相接，西面与F2逆断层相邻，埋深约为336m。在距离F2逆断层最近段进行高预应力强力支护试验。由于与断层地带距离较近，应力和工作面压力变化异常，施工阶段发生了“炸帮”、“煤炮”等现象。

经水压致裂法地应力测试，受断层影响，该区域应力水平得到一定释放，其最大水平应力相对较小，最大水平主应力：σH=5.47MPa，最小水平主应力：σh=3.0MPa，垂直主应力：σv=6.96MPa。在围岩强度测试中，顶煤、泥岩、砂质泥岩的平均抗压强度分别是12.1MPa、13.15MPa、16.7MPa，粗粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩的平均抗压强度分别是44.7MPa、62.3MPa、39.5MPa，砂砾岩为44.75MPa。巷道顶板岩层整体抗压强度不大，顶板之上4米内的泥岩平均抗压强度是11.6MPa。钻孔窥视顶煤以上岩体存在不同程度的节理发育的裂隙及破碎带；两帮煤体裂隙和破碎带广布。

综合分析得出该地段最明显的地质特征为应力得到释放，较异常，顶板岩层强度较低，裂隙发育。

经理论计算及数值模拟分析，拟用全断面短锚索强力支护技术来开展巷道支护试验，全锚索支护在国内有过应用，但大部分仍是高密度的低预应力支护[4-7]。结合国内最新研究结论[8]，具体参数为：锚索索体为1×19结构的？准22mm高强度低松弛钢绞线，延伸率7%，顶板与帮的锚索长度分别是4300mm、3300mm。锚索钻孔直径为28mm。锚固所用树脂锚固剂为K23351支、Z23602支。锚索托板是300mm×300mm×16mm高强度可调心托板，用钢筋网护帮护顶。锚索排距1.4m，顶板与两帮的锚索按1.2m锚间距垂直打设在煤岩面上，顶板锚索4根一排，两帮3根一排。锚索预紧力设定为200～250kN。图1为详细的支护布置。

图1 锚索支护布置图

巷道施工后进行了相关矿压监测，结果表明：锚索施加较高的预应力后，锚索受力在与迎头相距10m内出现了大的变化，之后回复稳定，在受切眼掘进影响后，受力小幅度增长。巷道两帮最大位移量为87mm；顶板下沉量最大为19mm；顶板离层仪显示，顶板总离层值为12mm。巷道整体小幅位移，相较于原支护结构顶板的移近量至少减少了90%，离层不太明显。巷道围岩稳定、安全，围岩破坏现象不明显，支护系统稳定安全。

5 主要结论

①潞新矿区巷道支护由于材料、施工等的不规范，初期支护强度与刚度较低，不能保证顶板的安全。

②高预应力支护能大幅度提高支护系统的初期支护刚度与强度，有效控制围岩变形，保持围岩的完整性，减小煤岩体强度的降低。

③潞新二矿W4203工作面靠近F2断层段应力释放，较异常，煤岩强度较低，围岩裂隙发育，工作面压力显现强烈。

④采用全断面短锚索支护后，W4203皮带巷支护状况发生根本改变，巷道变形量降低约90%，顶板离层较小，有效解决了应力异常区域软弱顶板的支护难题。

参考文献：

[1]康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践[J].岩石力学与工程学报，2005，24（21）：3959～3964.

[2]康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[3]康红普，王金华，林健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用[J].煤炭学报，2007，32（12）：1233～1238.

[4]赵岩峰，刘福军.极松散煤层全煤巷道顶板全锚索支护技术的应用[J].煤炭科学技术，2002，30（11）：33-36.

[5]戴志国，李修玉.松散厚煤层综放巷道预应力全锚索支护技术[J].矿业安全与环保，2005，32（2）：51-54.

[6]樊永东.高地应力下大断面煤巷全锚索支护[J].煤炭技术，2005，24（9）：69-70.

[7]康红普，林健，吴拥政.全断面高预应力强力锚索支护技术及其在动压巷道中的应用[J].煤炭学报，2009，34（9）：1153～1159.

[8]王金华，康红普，高富强.锚索支护传力机制与应力分布的数值模拟[J].煤炭学报，2008，33（1）：1～6.

作者简介：任志刚，四川人，现任潞安新疆煤化工（集团）有限公司一矿总工程师，主要从事煤矿生产技术及管理工作。