高预应力锚网索支护在回采巷道中的应用

张 银

(洪洞陆成煤业有限公司，山西 临汾 041600)

0 引言

煤矿巷道支护理论和实践研究表明，锚网索支护可给予巷道围岩以主动支护作用，可有效提高巷道围岩的整体性和强度，进而确保巷道收敛变形符合相关要求[1-3]。山西某矿11#煤层回采巷道多采用普通锚网索支护，但是，孤岛工作面回采过程中因受工作面超前支承压力作用、采空区侧向压力影响等，巷道变形收敛严重，变形量可达设计断面的20%以上，严重影响工作面安全回采。鉴于普通锚网索在孤岛工作面巷道支护难以满足要求，决定采用高预应力锚网索进行巷道支护，以期提高孤岛工作面巷道支护效果。

1 工作面概况

8512工作面西部为8512-1工作面采空区，东部为8510工作面采空区，北部20 m为井田边界，边界向北为矿井开采遗留采空区。工作面所采煤层为11#煤层，煤层均厚2.6 m，煤层倾角平均为6.5°，属于稳定可采厚煤层工作面。8512工作面整体位于南北向斜构造中，在掘进中揭露落差超过1.5 m的断层11个，受构造影响局部为薄煤带。工作面设计走向和倾向长度分别为1 450 m和230 m，直接顶为均厚11 m的泥岩-砂质泥岩-细砂岩，基本顶为均厚14.5 m的中粗粒砂岩，直接底为均厚2.1 m的泥岩。工作面水文地质结构较简单，在采掘过程中可能出现小范围淋水现象。工作面采用放顶煤开采，两巷设计尺寸3 000 mm×5 000 mm(高×宽)，因巷道顶板泥岩-砂质泥岩岩性较弱，且顶煤硬度较低，同时考虑到孤岛工作面侧压等因素的影响[4-7]，决定两巷采用高预应力锚网索支护。

2 原支护方案及效果分析

2.1 原支护方案

以往，矿井回采11#煤层孤岛工作面，两巷多采用普通锚网索支护，过断层等构造带时辅以架设U型钢棚支护。原支护方案中顶锚杆采用φ20 mm×2 500 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶锚索采用φ21.6 mm×5 800 mm的钢绞绳，帮锚杆采用φ18 mm×2 000 mm的树脂锚杆，帮锚索采用φ15.24 mm×4 500 mm的钢绞绳，顶锚杆和帮锚杆间排距均为900 mm×900 mm，顶锚索和帮锚索间排距均为1 800 mm×1 800 mm，其中帮锚索仅布置在采空区侧煤柱。顶板和两帮铺设的金属网规格为2 400 mm×1 100 mm的菱形网。

2.2 原支护效果

根据回采经验，11#煤层孤岛工作面采用普通锚网索支护难以保证巷道回采所需断面，两帮收敛变形严重，尤其是断层等构造带附近，巷道掉顶现象频见，局部支护体系失效，严重影响工作面安全回采[8-11]。

巷道收敛变形：巷道收敛变形以两帮收敛和底臌为主要形式，局部地带出现顶板下沉现象；在回采期间，两巷收敛量累计可达1 056 mm，底臌量累计可达670 mm，两帮和底臌量为巷道设计尺寸的21%和22%，且巷道收敛变形量75%以上发生在采场前方100 m范围内。整体来说，构造带附近网兜现象严重，根据顶板窥视可知，构造带附近顶板离层较明显，离层多发生在煤层与顶板交界处和泥岩层范围内。

支护体系失效：巷道个别锚杆出现拉断现象，锚杆和锚索托盘陷入煤体，网兜现象明显。为了解决支护体系失效，在巷道中心处打设木点柱，对于锚杆断裂缺失处给予重新打锚杆和锚索进行补强支护，但难以有效控制巷道变形。

顶板冒漏倾向性大：由于巷道为全煤巷，顶煤较厚，且支护体系难以满足巷道支护需求，同时受到上部含水层和断层等构造带的影响，巷道容易出现顶板离层、顶煤垮落和顶板冒漏现象，轻则影响工作面正常回采，重则会造成安全事故。

3 高预应力锚网支护应用

3.1 高预应力支护理论

预应力支护是指将锚索一端锚固在基岩内，然后在自由端进行张拉，对围岩施加压力对不稳定岩层进行锚固，高预应力支护要求所施加的锚索预紧力不低于300 kN，属于主动支护。在高预应力作用下，围岩产生压缩并形成“承载拱”，可大幅度提高围岩的整体性和自承载能力，可有效降低巷道围岩早期变形和顶板离层[12-16]。且预应力锚索支护能够促使支护体与围岩形成复合体，提高被支护岩体的抗剪和抗拉能力，能有效降低采空区侧向压力对巷道围岩的不利影响，进而提高巷道的稳定性。

3.2 高预应力锚网索支护方案

通过分析11#煤层原支护条件下巷道变形特点，认为合理选择支护方式是提高巷道稳定性最直接、最有效途径。同时考虑到8512工作面煤岩体特性、构造影响、煤层厚度、巷道断面需求等，决定在8512工作面两巷采用高预应力锚网索支护，现以工作面回风巷为例进行研究，8512工作面回风巷高预应力锚网索支护如图1所示。

顶板支护：顶锚杆选用φ20 mm×2 000 mm的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，钢托盘的规格为150 mm×150 mm×10 mm(长×宽×厚)，锚杆间排距为940 mm×900 mm，每根锚杆采用1支MSK2380型锚固剂进行锚固，要求锚固力不低于95 kN；顶锚索选用φ21.6 mm×6 500 mm的钢绞线，钢托盘规格为300 mm×300 mm×15 mm(长×宽×厚)，锚索排距900 mm，每两排布置4根，分别按照2、4眼位和3、5眼位布置，眼位间距940 mm，每根锚索采用2支MSK23100的树脂药卷进行锚固，预紧力不低于300 kN；顶网采用2 100 mm×1 000 mm钢筋网，每排2片，横向铺设。

a-正视图；b-俯视图图1 8512工作面回风巷高预应力锚网索支护示意图

两帮支护：帮锚杆选用φ20 mm×2 000 mm的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，托盘规格与顶锚杆相同，锚杆间排距为800 mm×900 mm，其中顶角锚杆距顶板350 mm，与水平呈25° 角，锚固力不低于75 kN；帮锚索仅布置在采空区侧，锚索选用φ21.6 mm×6 500 mm的钢绞线，托盘与顶锚索托盘规格相同，锚索间排距为900 mm×1 600 mm，锚固方式与顶锚索相同，预紧力不低于300 kN。帮网选用规格2 400 mm×1 000 mm的菱形网，每排每帮一片，竖向铺设。

3.3 支护效果分析

图2 巷道围岩表面位移变化曲线

鉴于11#煤层孤岛工作面两巷收敛变形量75%以上出现在工作面回采超前段，故在8512工作面回风巷距离采场100 m范围内布置“十字交叉”测点来进行巷道围岩变形观测，结果如图2所示。由观测结果可知，随回采推进，顶底板累计收缩变形为228 mm，为设计高度的7.6%，且顶底板收敛变形主要发生在采场前方25 m范围，约占总收敛变形量的83%；两帮累计收敛变形量为546 mm，为设计尺寸的10.9%，且两帮收敛变形主要发生在采场前方30 m范围内，约占总收敛变形量的79%。为了了解顶板里层情况，在采场前方50 m范围内向顶板打钻孔进行窥视，结果显示，顶板离层多发生在顶煤与顶板交界处，离层量最大11 mm，平均为4.2 mm，离层不明显。由此可知，通过高预应力锚网索支护可以有效提高4#煤层8512巷道支护效果，巷道变形量和顶板离层量较小，能够满足工作面回采需求。

4 结语

高预应力锚网索支护能够给予围岩强有力的主动支护，可有效提高巷道围岩的整体强度和自稳性，可有效抑制巷道围岩变形和顶板离层。8512工作面支护实践表明，通过高预应力锚网索支护，巷道收敛变形量不到巷道设计尺寸的10%，能够保证工作面回采需求，支护效果较好，说明11#煤层孤岛工作面回采巷道采用高预应力锚网索支护是可行的，能够达到预期支护目的。