高预应力支护在大断面切巷的应用分析

翟旭宏

（阳煤集团和顺新大地煤业有限公司， 山西 晋中 032700）

引言

阳煤集团和顺新大地煤业有限公司位于和顺县义兴镇后沟村，成立于2009年5月20日，注册资本8 000万元，原为私营企业。阳泉煤业集团华能煤电投资有限责任公司于2009年5月15日，通过股权转让，全部收购原新大地公司股权和资产，成为阳泉煤业集团华能煤电投资有限责任公司子公司。新大地公司矿井井田面积6.526 6 km2，井田位于沁水煤田和顺矿区中部，批准开采8号、15号煤层，8号煤层为不稳定局部可采煤层，15号煤层为全区稳定可采煤层。矿井为煤与瓦斯突出矿井，矿井地质储量4 807万t，设计可采储量2 884万t，设计生产能力为150万t/年，矿井服务年限为19.2年。随着综采装备的大吨位、大型化，工作面切巷的掘进断面也显著增加，以往的支护存在预紧力小、支护强度低、需要复合支护等问题，通过采用高预应力全锚索支护后，有效地解决了上述问题，为大断面切巷的安全和掘进支护提供了技术保障。

1 巷道基本情况

15402工作面地面位于刺蓟堰以南，南坪梁以东，三亩坡以西，庙梁以北的山梁沟谷地带，在雨季补给水量充沛。地表无建筑物，有部分农田及山林。井下位于瓦斯联络巷以东，三采区轨道巷以西，15403工作面（西部）（正在回采）以南，15306工作面进风巷（已掘进）以北。总设计长度为990m，巷道设计净宽10.0m，净高3.5m。煤层顶底板岩性见表1。

2 原支护及巷道变形分析

2.1 大断面切巷原支护情况

顶板支护采用Φ15.24mm×5 200mm和Φ21.6 mm×7 200mm的钢绞线，每排布置10根，Φ15.24 mm×5 200mm锚索布置在钢带的1眼、3眼、5眼、7眼、9眼和10眼，锚索预紧力不小于120 kN，其他眼位布置Φ21.6mm×7 200mm的钢绞线，锚索预紧力不小于160 kN。配套规格为BHB235/200/4-4200-5型钢带和规格150mm×150mm×12mm的平托板。排距为700mm。巷道在施工完后，在巷道中部卡一排木柱，木柱规格Φ20mm×2 800mm，间距5m。

表1 工作面煤层顶底板岩性情况

2.2 巷道变形分析

经过原工艺支护后，巷道出现了不同程度的变形破坏。初期为巷道顶板下沉，后期最大下沉量达400mm，造成顶板锚索破断，或金属网破开，中间卡柱全部失效。给工作面的顶板管理和设备安装造成很大影响。通过现场了解和分析，造成巷道支护失效的主要因素为切巷跨度大、断面大、顶板的离层和下沉明显；锚索的预紧力较小，不能给顶板岩层施加较大预紧力，使顶板不稳定，随着压力的集中，进一步的破碎；锚索的破断力小，和现场的矿压不匹配造成锚索破断，导致更严重的顶板事故。

3 新支护设计

3.1 新支护设计原则

一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形；高预应力和预应力扩散原则。只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护；“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则；临界支护强度与刚度原则。设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值；相互匹配原则。各构件与锚索的参数与力学性能应相互匹配。

3.2 新支护设计方案

顶板采用“主锚索+钢带+金属网+补强锚索”联合支护。排距800 mm，每排对接使用两根BHW-960-280-4-5100的6眼W钢带。从落山侧到工作面在钢带的 2、4、6、9、11 眼内布置补强锚索，其余布置主锚索，补强锚索使用Φ21.6mm×7 200mm的钢绞线，主锚索使用Φ17.8mm×6 200mm的钢绞线，锚索托板均使用300mm×270mm×12mm的可调心W型托板配合调心球垫，药卷均使用双速23-120。

落山侧使用Φ20mm×2 000mm左旋螺纹钢锚杆，托板使用450mm×280mm×4mm的W型托板＋150mm×150mm×10mm拱形托板，配合调心球垫和尼龙垫圈。药卷使用双速MSK23-60，帮网使用6 000mm×1 000mm的金属网。工作面侧使用Φ18 mm×2 000 mm玻璃钢锚杆。托板使用Φ1/2-200 mm×500 mm木托板，药卷使用双速MSK23-60，帮网使用30 000mm×1 000mm的塑料网。切巷支护材料规格表，见表2。

4 支护效果

新支护全部更换了支护材料，锚索更换为Φ17.8mm×6 200mm和21.6mm×7 200mm的钢绞线，预紧力为原来的120 kN和160 kN提高到230 kN和300 kN，实现了支护强度的真正提升。经过近半年的观测和分析，巷道中部压力呈一定幅度增长，增长幅度仅为8%，巷道顶板两边受力平稳，变化不大，均在安全可控范围。锚索受力平稳，未出现破断和压力急剧变化情况。顶板离层在掘进期间有8mm，后呈稳定状态，巷道断面基本未发生变化，巷道状况良好。新支护技术的使用，全面落实了“三高一低”的高强预应力支护理念，即高强度、高刚度、高可靠性和低支护密度。由于支护强度的提高，实现了顶板的主动支护，防止顶板离层和巷道进一步变形，也达到了一次性满足支护的目的，避免了以后的整巷和重复支护，在经济效益上也取得了成绩。

表2 切巷支护材料规格表

5 结语

通过采用高预应力全锚索在切巷进行支护后，为工作面顶板提供了较高的预应力，有效预防了大断面顶板的离层和下沉，使顶板上部围岩得到有效控制。通过金属网和钢带的联合作用，顶板保持了很好的结构性，实现了整体的稳定。说明高预应力全锚索支护是有效的顶板支护，满足对大断面巷道支护的强度要求，确保了顶板的安全。