王坡煤矿高预应力强力支护系统研究与应用

杨　帅

(山西天地王坡煤业有限公司)



王坡煤矿高预应力强力支护系统研究与应用

杨帅

(山西天地王坡煤业有限公司)

摘要针对王坡煤矿地质条件，对高预应力强力支护系统进行了研究，并采用理论分析和数值模拟分析方法确定了巷道支护方案。实践表明：采用高预应力强力支护系统可有效控制巷道围岩变形，通过一次支护可有效减小巷道围岩变形，避免了重复修护，大大提高了巷道掘进速度，节约了成本，经济效益显著，对于类似矿山有一定的参考价值。

关键词高预应力强力支护系统巷道支护围岩变形掘进速度

据王坡煤矿井下现场观测资料统计，3209回风顺槽掘进期间变形严重的地段，顶底板移近量约1 m，两帮移近量达2 m，锚杆锚索断裂现象频繁出现，为该矿安全生产埋下了严重的隐患。由于井下支护材料强度较低以及支护系统刚度较低，导致支护过程中使用的锚杆、锚索数目较多。部分地段支护过度，严重影响到了巷道的掘进速度，浪费支护材料；分地段支护强度较低，前掘后修的现象普遍存在，导致采掘接续较紧张。为此，本研究对该矿高预应力强力支护系统进行研究，并对井下支护方案进行探讨。

1高预应力强力支护理论

高预应力强力锚杆支护的作用主要为：①控制巷道围岩结构的完整性，尽可能抑制围岩离层、层间滑动、生成新裂纹、裂隙扩展等有害变形现象的出现，在支护范围内形成次生承载层，最大程度地保持巷道围岩的整体稳定性，提高巷道支护效果[1]；②能够使得巷道围岩结构在高预应力的作用下始终处于受压状态，抑制围岩结构有害变形扩展，大大提高支护范围内巷道围岩的整体强度和稳定性。高预应力强力支护系统可有效地将高预应力扩散至周围围岩结构中，保证巷道的支护效果[2]。单根高预应力锚杆或锚索的作用范围较小，需通过配套护表构件(如托盘、W型钢带和菱形网等)将高预应力充分扩散至距锚固区较远的巷道围岩中。因此，锚杆锚索托盘、钢带、菱形网等护表构件的联合使用可有效确保支护效果。

锚杆支护系统的刚度与围岩的刚度相匹配在整个支护系统中具有重要作用[3]。高预应力强力锚杆支护系统的核心功能是能够提供高预应力、高刚度，该支护系统能够有效抑制巷道围岩的有害变形，提高巷道支护的可靠性，确保安全生产[4-6]。对于采动影响较大，巷道围岩破碎的巷道，应尽可能通过一次支护达到巷道支护的预期效果，避免重复修护、前掘后修现象出现。高预应力强力支护系统可大大提高巷道的掘进速度，降低掘进成本。高预应力高强度的锚索支护在复杂条件巷道工程支护过程中的作用为：①提高锚杆支护形成的次生承载结构的稳定性，使次生承载结构与深部围岩形成一个整体共同承载；②在高预应力的作用下周围岩层始终处于挤压状态，有效控制围岩变形破坏，大增强巷道围岩抵抗破坏变形的能力[7]。

2高预应力强力支护系统

(1)强力锚杆杆体。锚杆杆体为左旋无纵筋螺纹钢筋，杆体直径22 mm，长2.4，2.0 m，采用BHRB500材质钢筋，极限拉断力255 kN，屈服力200 kN，延伸率17%，锚杆杆尾螺纹采用滚压加工工艺成型，规格M24，锚杆附件采用与该锚杆力学性能相配套的高强度拱形托盘及高强度转向球等。

(2)强力W钢带。W强力钢带可将支护系统的高预应力和工作阻力扩散至围岩中，使锚杆锚索受力趋于均衡，大大提高巷道整体的支护能力。强力W钢带与强力锚杆、锚索的力学性能以及巷道围岩体强度、刚度的有效匹配，可最大限度地提高系统的支护效果。

(3)强力锚索。小孔径锚索的钢绞线(1股×7根)直径较小，与钻孔直径的径差较大，树脂锚固剂利用率低，锚固效果差。钢绞线破断载荷较小，在复杂条件的回采巷道中钢绞线破断现象频繁发生。钢绞线延伸率偏低，不利于巷道围岩集中应力的释放，导致支护难度增大。王坡煤矿3209回风顺槽支护采用延伸率大、柔性好、高强力钢丝(1(股)×19(根))捻制结构的锚索钢绞线，其断裂时延伸率达到7%，真正实现了大直径、大吨位及高延伸率。采用高强度拱形可调心金属托盘及配套锁具，使锚索的受力状态更加合理，充分发挥了该类锚索的支护能力。

3高预应力强力支护方案及效果

3.1地质条件

王坡煤矿3#煤层柱状图见图1。3209回风顺槽断面为矩形，巷宽 4. 5 m，巷高3. 1 m，沿煤层底板掘进，3209回风顺槽东侧临近3207采空区，西侧为实体煤。由于受采空区动压明显的影响，3209回风顺槽巷道围岩受到较大程度的扰动，且煤层裂隙较发育，地质构造复杂导致回采巷道变形严重。采用以往的支护方式时，巷道变形较严重，修复率较高，变形最为严重的地段，顶底板移近量达1 m，两帮移近量达2 m，给矿井生产埋下了严重的安全隐患。

3.2支护方案

结合王坡煤矿的实际情况以及3209回风顺槽的维护经验，在对几类支护方案进行数值模拟分析的基础上，确定了巷道的支护参数。巷道采用高预应力强力支护系统，锚杆为φ22 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，顶板锚杆排距1 m，间距1.2 m，每排布置4根；帮锚杆排距1 m，间距1.1 m，每排布置6根。锚索采用φ22 mm的1(股)×19(根)强力锚索，间距1.7 m，排距2 m。采用强力W钢带，配合高强度拱形锚杆托盘，同时配合菱形金属网护表。该支护方案掘进后巷道围岩应力、位移变化的数值模拟结果分别见图2、图3。

图1　3#煤层柱状图

图2　应力分布

图3　位移分布

由图2、图3可知：采用该支护方案的情况下，应力集中区域主要分布于巷道顶底板处，巷道掘进后巷道顶部垂直向下的最大位移为39 mm，巷道最大底鼓量为38 mm，巷道水平位移最大为52 mm，巷道掘进后塑性破坏区主要分布于巷道四周，顶板及两帮由于有锚杆及锚索支护，巷道围岩变形得到了有效控制。

3.3支护效果

王坡煤矿3209回风顺槽采用高预应力强力支护系统后，巷道矿压监测结果表明：巷道最大顶底板移近量为68 mm，两帮最大移近量为112 mm，顶板几乎无离层现象，巷道围岩较完整，未出现重复修护现象、在掘进期间，顶底板及两帮围岩变化较好，巷道支护效果良好，表明高预应力高强支护系统可有效避免围岩有害变形的出现，大大提高了支护范围内巷道围岩的整体强度和稳定性。

4结语

针对王坡煤矿地质条件，结合高预应力强力支护系统，提出了高预应力强力巷道支护方案。该矿3209回风顺槽应用结果表明，该支护系统可有效确保巷道围岩结构的完整性，使巷道顶板和两帮围岩处于受压状态，抑制围岩结构有害变形的出现，较高的延伸率使得巷道围岩中产生的集中应力得以释放，大大提高了支护系统的可靠性，经济效益显著，可供类似矿山参考。

参考文献

[1]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.

[2]康红普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报，2007，32(7)：673-678.

[3]张农，高明仕.煤巷高强预应力锚杆支护技术与应用[J].中国矿业大学学报，2004，33(5)：524-527.

[4]颜立新，康红普.金川不良岩体巷道支护技术可行性研究[J].煤矿开采，2002(1)：34-36.

[5]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.

[6]何满潮，袁和生.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2004．

[7]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.

(收稿日期2016-03-30)

杨帅(1988—)，男，助理工程师，048021 山西省晋城市泽州县下村镇。