高强高预应力锚杆在深部开采的应用

于军利

（山西沁和能源集团曲堤煤业有限公司，山西 沁水 048205）

目前，煤矿企业多数选用锚杆支护技术做为其首选的支护方式。锚杆支护经历了从低强度、高强度到高预应力、强力支护的发展过程。通过不断研究、试验与推广应用，预应力锚杆支护技术也得到大面积推广应用。以沁和能源集团曲堤煤矿-850m水平1202E运输巷的支护进行具体说明。

1 概况

曲堤煤矿目前开采深度超过1000m，属于深井开采。1202E运输巷位于-850m水平一采下山区东翼，埋深1150m，巷道以东为尚未开采的1202E工作面，以北、以西为F22断层，以南为1201E工作面采空区，下覆煤4未开采；走向80～90°，倾向NW-N，设计长度1340m。

巷道沿二煤顶板掘进，该区域二煤平均厚度2.4m，厚度稳定，中间夹一层厚0.02m炭质页岩夹石，硬度系数f=2～3，煤层倾角20～26°；直接顶为砂质页岩，性脆致密，水平层理发育，破碎易冒落，厚6.5m；其上为煤1，黑色，松软破碎，厚为0.5m；直接底为黏土岩，遇水膨胀变软，厚度0～0.5m；其下为砂质页岩，厚2.2m，深灰色，块状，含植物化石。

2 1202E运输巷支护情况分析

曲堤煤矿进入深部开采以前，普遍使用普通锚杆支护。进入深部开采后，由于深部高应力作用，巷道围岩呈现明显的弱化和软化现象，并具有明显的时间效应，围岩流变性强，非线性大变形趋势强烈，普通螺纹钢锚杆支护方式已不适应深部高应力软岩巷道支护，主要表现为：

（1）螺纹钢锚杆预紧力低，不能及时有效约束和控制围岩变形。普通螺纹钢锚杆预紧力低，不能约束和控制围岩变形，造成巷道变形量两帮600～1200mm，顶板弯曲下沉100～600mm，底鼓量600～1300mm，需多次修复，不仅增加维修费用，而且影响安全生产。

（2）螺纹钢锚杆强度低，断锚杆现象较严重。Φ22普通螺纹钢锚杆屈服极限131kN，强度极限189kN，在矿井高应力条件下，强度偏低，因此造成在掘进影响期和掘进稳定期有断锚杆现象，而在采煤影响期，断锚杆现象更加严重，帮部底角锚杆和肩角锚杆几乎全部断掉，造成整个帮部支护失效。

因此，需要研究深井高应力条件下的新型锚杆支护技术，解决深井高应力巷道的支护难题，为此在1202E运输巷进行了不同支护方式的对比观测研究。

3 预应力高强锚杆的支护方案

1202E运输巷断面形状为拱形，参数见图1。采用高预紧力高强锚杆支护段的支护方案如下：

（1）锚杆材质。锚杆材质600#钢，螺纹滚丝段强度要等于或高于杆体强度，延伸率≥15%。600#钢在300N·m扭矩时，预紧力达500kN以上；400N·m扭矩时，预紧力可达600kN以上。

（2）杆体直径。为有效地控制顶板岩层的变形和离层，顶板锚杆必须给予顶板足够的支护阻力，因此顶板锚杆直径选用25mm；为较好控制两帮变形，两帮锚杆直径也选用25mm。

（3）锚杆长度。根据现场实际，选用工程类比法，确定锚杆长度为：顶板2200mm、两帮2200mm；为控制底臌，两帮底角加长锚杆长度为2400mm。

（4）锚杆间排距。顶板锚杆间排距800×800mm；两帮锚杆间排距900×800mm。

（5）锚固剂及锚固长度。树脂锚固剂锚固长度≥700mm。

（6）组合锚杆附件。顶板“W”型钢带4000×300×5mm；两帮“W”型钢带2000×300×5mm；顶板10#菱形铁丝网4000×800mm；两帮双抗方格网2000×800mm。详见图1。

图1 巷道支护断面图

4 矿压观测分析

4.1 矿压观测设点

1202E运输巷不同锚杆支护段见图2所示。为进行对比分析，分别在螺纹钢锚杆支护段、高预紧力普通锚杆段和高预紧力高强锚杆段分别设表面位移观测站。

图2 1202E运输巷分段支护观测图

4.2 表面位移矿压观测分析

经过一个时期的矿压观测，取得了大量的观测数据。数据显示：

（1）高预紧力高强锚杆支护段，巷道开掘后10d围岩变形趋于稳定，说明高预紧力锚杆约束并控制住了围岩变形，使围岩早期稳定，减少破坏。

（2）高预紧力普通锚杆支护段，巷道开掘后经过20d急剧变形和16d缓慢变形后，巷道围岩才趋于稳定，由开掘至巷道围岩稳定时间相对较长约为36d，说明高预紧力普通锚杆控制围岩效果较差，不利于巷道围岩早期稳定，对围岩造成一定程度的破坏。

（3）普通螺纹钢锚杆支护段，巷道开掘后41d围岩变形才趋于变缓，没有稳定变形期，围岩一直处在较大变形之中，说明普通螺纹钢锚杆未能控制和约束住巷道围岩变形，直至导致网岩破坏失稳。

（4）两帮变形量及变形速度，螺纹钢锚杆是高预紧力高强锚杆的4.5倍，是高预紧力普通锚杆的1.5倍。

（5）顶底板变形量及变形速度，螺纹钢锚杆是高预紧力高强锚杆的3.3倍，是高预紧力普通锚杆的1.1倍。

（6）普通螺纹钢支护巷道围岩转入稳定时间是高预紧力高强锚杆的4.1倍，是高预紧力普通锚杆的3.6倍。以上矿压显现结果表明，高预紧力高强锚杆对围岩控制效果最好，在深井高应力条件下能够保持巷道稳定，能够满足采煤工作面顺槽在服务期内的要求。

5 结论

在无现实经验的情况下，曲堤煤矿在1202E运输巷进行了各种锚杆支护方式的对比实验研究。实验表明，在高应力条件下，锚杆支护的高预紧力指标和高强度指标是保持巷道稳定的重要条件，两者同样重要。根据这一实验结论，曲堤煤矿1202E运输巷及后续的深井采煤巷道支护中，广泛应用了高预紧力高强锚杆，取得较好效果。