高预应力锚网支护技术在半煤岩巷中的应用

李建龙

（阳煤集团山西平舒煤业有限公司，山西 阳泉 045400）

井巷支护实践表明，预应力锚固能够有效确保围岩始终处于受压状态，抑制围岩出现弯曲形变和拉伸破坏，减少围岩完整性和强度的降低，进而实现井巷的稳定性［1-4］。平舒矿业以往对预紧力锚固认识不够，在半煤岩巷多采用普通锚杆和锚索进行支护，预紧力普遍较低，一般预紧力距100～120 N·m，预紧力为15～25 kN，甚至预紧力为0，严重的影响了锚网支护效果。为了提高井巷支护质量，平舒矿业针对地应力特征、围岩特性、巷道功能、临巷影响等因素在81117工作面专用抽采措施巷进行了高预应力锚网支护实践，取得了较好的效果。

1 工作面概况

81117工作面东部和南部为保护煤柱，西部为81115回风巷，北部为东回风巷、东胶带巷和东轨道等。工作面所采煤层为81#煤层，煤厚平均为2.2 m，埋深平均为550 m，煤层平均倾角为6°，煤体成块状和粉末状，煤体硬度f=0.61。工作面总体处于北高南低单斜构造中，煤层局部厚度变化较大。工作面共布置3条巷道，分别用以进风运煤、回风运料和瓦斯抽采，设计平均可采走向长度和倾斜长度分别为1263 m和207 m。工作面无伪顶，直接顶为均厚5.3 m的砂质泥岩，岩性较脆，局部夹砂岩条带；基本顶为均厚2.3 m的细粒砂岩，成分以石英为主；直接底为均厚1.47 m的砂质泥岩和均厚1.9 m的82#煤层，基本底为均厚1.64 m的砂质泥岩。工作面水文地质条件较简单，因上部砂岩属于弱含水层，在掘进过程中会有局部淋水现象。工作面专用抽采措施巷沿底板掘进，为半煤岩巷，其断面为矩形，设计尺寸（高×宽）为2850 mm×4200 mm，为提高支护质量，该巷道采用高预应力锚网支护。

2 普通锚网索支护巷道变形破坏分析

以往81#煤层半煤岩巷支护均采用普通锚网索支护，顶锚杆采用Φ20 mm×2000 mm的普通锚杆，两帮锚杆采用Φ18 mm×1800 mm普通锚杆，锚杆间排距为900 mm×900 mm，顶锚杆和帮锚杆预紧力分别为120 N·m和60 N·m，帮锚索和顶锚索均采用规格Φ15.24 mm×4200 mm的钢绞绳，锚索间排距为1800 mm×1800 mm，金属网孔100 mm×100 mm。

通过现场观测，巷道破坏表现形式主要有：

1）巷道围岩变形严重：巷道收敛量大，巷道底角和顶角明显内挤收敛，由测量结果可得；回采期间两帮收敛量累计可达725 mm，其中顶板下沉量最大可达160 mm，两帮收敛量和顶板下沉量达到了巷道设计尺寸的17.3%和5.6%。巷道顶板离层范围较大，通过窥视资料可知，81#煤层顶板离层范围一般在3～5 m，部分超过了锚索锚固范围，尤其在构造带附近顶板离层范围高度有加大趋势。

2）支护体系受力大：锚杆托盘受力大，个别锚杆存在被拉扭曲和拉断现象；个别钢带出现撕裂现象，钢带扭曲变形严重。对巷道破坏分析认为，支护方案选择不当，对地应力估计不足，支护参数和支护材料设计不合理，针对巷道地质构造变化没有采取针对性支护优化。

3）构造带附近岩体破坏突发性大：在断层、顶板破碎带等构造附近，顶板岩层稳定性和强度较低，同时受到上部含水层淋水影响，顶板更易发生离层和顶板冒漏现象，而支护未针对构造的存在采取针对性支护优化，不利于巷道稳定。

3 高预应力锚网支护应用

3.1 高预应力支护理论

高预应力支护理念是指从锚杆、锚索支护作用原理出发，不仅仅要重视支护材料的强度，提高锚杆、锚索的破断力，且要注重整个支护体系的刚度，尤其是锚杆、锚索的预紧力大小。这就要求缩短巷道围岩的无支护时间，一旦围岩揭露便立即进行支护，并对围岩施以足够的预紧力。通过提高支护预紧力，可尽早控制围岩出现早期的变形和离层，确保巷道围岩的完整性和强度，充分调动围岩自承载能力，提高其稳定性，真正实现巷道的主动支护。

3.2 高预应力锚网支护方案

针对81#煤层地应力特征、围岩特性、巷道功能、相邻巷道影响等因素影响，同时考虑到81#煤层巷道原支护存在的问题，提出在81117工作面专用抽采措施巷采用高预应力锚网支护方案，以该巷道为例进行实践研究，81117工作面专用抽采措施巷支护参数见图1。

图1 81117工作面专用抽采措施巷支护

（1）顶板支护：锚杆选用规格为Φ20 mm×2000 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，该型锚杆屈服强度为500 MPa；采用150 mm×150 mm×10 mm的高强可调心拱形钢托盘，锚杆间距900 mm，每盘2.5根；锚索选用规格Φ21.6 mm×6200 mm的钢绞绳，每两排布置5根，1、3、5眼位和2、4眼位交替布置，代替原眼位锚杆，排距900 mm，采用300 mm×270 mm×14 mm的高强可调心拱形钢托盘；金属网网格为50 mm×50 mm；每个锚杆使用一卷MSCKBΦ23 mm×800 mm树脂药卷进行锚固，锚固长度为1100 mm，要求锚杆预紧力不低于300 N·m；每根锚索使用一卷MSZ-23 mm×1200 mm中速树脂药卷进行锚固，锚索锚固长度为1560 mm，锚固力不低于150 kN。同时，顶板采用W钢带和经纬网进行护顶，W钢带规格（长×宽×厚）为4000 mm×280 mm×4 mm。

（2）巷帮支护：锚杆选用规格为Φ20 mm×2000 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，采用150 mm×150 mm×10 mm的高强拱形钢托盘，锚固长度为750 mm，锚杆间距800 mm，每排3根。每个锚杆使用一卷MSCKBΦ23 mm×800 mm树脂药卷进行锚固，锚固长度为1100 mm，要求锚杆预紧力不低于300 N·m。同时，采用金属经纬网进行护顶。

3.3 支护效果分析

为了掌握高预应力锚网支护效果，在81117工作面专用抽采措施巷进行了巷道围岩表面位移和顶板离层观测。81117工作面专用抽采巷围岩表面位移变形情况见图2，顶板离层情况见图3。由图2可知，随着距离掘进迎头距离的增加，巷道表面围岩变形逐渐变缓，距离掘进迎头100 m范围外，两帮和顶底变形基本稳定，观测期间两帮累计收敛72 mm，顶班下沉量为24 mm，两帮收敛量和顶板下沉量分别为巷道设计尺寸的5.2%和3.7%，相比于原支护变形量降低了90%和85%。由图3可知，81117工作面专用抽采措施巷顶板离层总量约为11.5 mm，其中浅部离层约7.5 mm，深部离层约4 mm，以浅部离层为主，占了总离层量的65.2%。观测结果表明，81117工作面专用抽采措施巷采用高预应力锚网支护能够有效控制巷道变形和顶板离层，支护效果较好，能够达到预期支护目的。

图2 巷道围岩表面位移变化曲线

图3 顶板离层位移监测曲线

4 结语

选用高预应力锚网支护能够有效抑制围岩出现弯曲形变和拉伸破坏，确保巷道的完整性和强度，使其充分发挥自承载能力，提高巷道的稳定性。从81117工作面专用抽采措施巷支护效果可以看出，高预应力锚网支护在矿井半煤岩巷是成功的，能够通过发挥其主动支护作用提高巷道稳定性，自2016年12月施工完毕，目前该巷道整体情况较好，能够满足生产需要，达到巷道预期支护目的，高预应力锚网支护技术值得在矿井推广应用。