高预应力锚网索梁支护方式在孤岛工作面探索应用

郭小刚

(潞安环能股份公司 常村煤矿，山西 长治 046102)

巷道支护方案的安全高效性为矿井高质量发展提供重要技术保障，特别是在孤岛工作面、“三下一上”采煤过程中巷道支护对支护要求极为苛刻。合理的支护方式能够使巷道在服务期限内变形量维持在一定区间范围之内，从而减少二次护巷返工带来的物料浪费。

常村煤矿2202综采工作面为孤岛工作面布置，该工作面两侧均受到采动影响，巷道压力比较大，煤体破碎，巷道顶板下沉严重，两帮收敛明显，锚杆锚索崩断数量较多，原有支护方式不能有效满足安全回采需求，不利于安全生产。结合该区域煤岩取样力学性质及相邻巷道日常矿压监测结果，综合分析采用高强锚网索梁联合支护的方式。通过实践发现巷道的变形问题取得较大突破，顶底板位移量明显减小。

1 工作面概况

2202综放工作面南邻2203综放工作面采空区20 m，北邻2201综放工作面采空区20 m，东邻S3-12工作面采空区45 m、西接22采区大巷，属于孤岛工作面。2202工作面有效推进长度1 043 m，工作面切眼长249 m。工作面范围内主要发育有KX39陷落柱、aXn7陷落柱和KF42断层，地质条件较为复杂。2202工作面平面示意见图1。

图1 2202工作面平面示意

2 工作面临近巷道支护及围岩变形破坏情况

2202综放工作面北邻2201综放工作面，其中2201综放工作面胶带巷采用矩形断面(净宽5.1 m×净高3.3 m)与2202综放工作面胶带巷断面尺寸完全相同。但是2201胶带巷采用传统的锚网支护方式，巷道顶部锚杆规格为D22 mm×2 400 mm让压锚杆，间排距为900 mm×1 000 mm，顶角锚杆向两帮倾斜25°，中部锚杆垂直巷道顶板，托板为150 mm×150 mm×10 mm型蝶形托板，采用2支MSCK2350树脂锚固剂。巷道帮部锚杆规格为D22 mm×2 400 mm让压锚杆，间排距为1 300 mm×1 000 mm，帮角锚杆向顶底板倾斜10°，中部锚杆垂直巷道两帮，托板为150 mm×150 mm×10 mm型蝶形托板，采用2支MSZ2350中速树脂锚固剂。巷道顶部锚索垂直顶板呈小三花布设，规格为D22 mm×6 300 mm，排距为900 mm，垂直巷道顶板，托板为300 mm×300 mm×16 mm可调心托板，药卷采用3支MSZ2350型树脂药卷。锚杆的锚固力190 kN，扭紧力矩不小于300 N·m；锚索预应力不小于250 kN。支护断面图见图2。

图2 2201工作面胶带巷巷道支护断面图(mm)

目前发现2201工作面胶带巷围岩变形有以下几个特点：①巷道围岩量很大，围岩比较破碎。②巷道最初变形量最大。③巷道围岩变形持续时间长。④巷道四周来压导致围岩发生变形。施工过程中出现顶底板变形和底鼓现象。⑤工作面煤壁易受采动影响，出现垮落片帮现象。

3 2202胶带巷支护设计优化及效果分析

3.1 支护参数确定原则

1) 一次支护原则。工作面支护必须保证一次完工。减少返工多次维护。这样一方面符合安全高效生产要求，另一方面巷道首次揭露一次支护效果最佳。一旦出现围岩破坏采用多次维护不仅浪费物料还带来很大的安全隐患。

2) 高预应力和预应力扩散原则。巷道被动支护和主动支护中预应力是主要因素，主动支护采用高预应力，进而发挥主动支护效果。首先通过专用工具施加锚(索)杆高预应力；其次通过方托板、W钢护板等构件扩散预应力，增大作用范围，提高支护的稳定性。

3) “三高一低”原则。锚网支护中支护材料材质占主要因素，强力度、高强度、高可靠性与低支护密度相配合原则。在提高锚(索)杆强度、刚度，保证支护系统可靠性的前提下，降低支护密度，减少对围岩的扰动，提高掘进效率。

3.2 支护设计方案

通过对2202工作面取样，由山西省地质矿产研究院进行岩石力学实验并出具编号为YS208079煤岩检测报告，如表1所示。岩石的力学性质差别相对较小，同种岩性岩石的力学性质差别也较小，通过压力试验机实验得到的结果可以为以下支护设计及优化提供基础岩石力学指导。

表1 YS208079煤岩检测报告

通过临近工作面巷道支护类比和日常矿压观测数据，配合现有施工工艺和工程实践经验，确定在2202工作面胶带巷采用全断面高预应力锚网索梁联合支护方式。2202胶带巷采用矩形断面，掘进宽度为5.3 m，净宽为5.1 m，掘进高度为3.4 m，净高为3.3 m，净断面积为16.83 m2。

该巷道顶帮具体支护如下：

1) 顶板支护。锚杆形式和规格：采用强力锚杆B500材质，杆体为22号左旋无纵筋螺纹锚杆，长度为2.4 m，锚尾螺纹为M24。锚固方式：树脂加长锚固，两支MSCK2350型超快速树脂锚固剂；钻孔直径为30 mm，锚固长度1 700 mm左右。钢带：采用14号圆钢制作，顶钢筋梯梁D14 mm×4 900 mm。托盘：采用拱形高强度托盘，托盘规格为150 mm×150 mm×10 mm。网片规格：采用10号镀锌铁丝编制的经纬网护顶，规格为5.3 m×1.0 m；网与网压茬宽度100 mm，每隔100 mm用双股16号镀锌铁丝将相邻网片联接牢固，孔孔相连。锚杆布置：锚杆排距1 000 mm，每排6根锚杆，间距900 mm。锚索：采用高强度低松弛预应力钢绞线锚索，单根钢绞线D22 mm，长度8.3 m，加长锚固，采用3支Z2350，锚固长度约1.9 m。锚索托盘：300 mm×300 mm×16 mm；锚索采用小五花式布置。顶板较为破碎区域：采用锚索加槽钢支护，锚索槽钢采用18号×4 200 mm和18号×2 400 mm的槽钢及配套锁具，间排距1 800 mm×900 mm，小五花式布置。

2) 巷帮支护。锚杆形式和规格：左右两帮采用强力锚杆B500材质，杆体为22号左旋无纵筋螺纹锚杆，长度为2.4 m，锚尾螺纹为M24。锚固方式：树脂加长锚固，采用2支树脂锚固剂，Z2350中速树脂锚固置于钻孔底部，实际锚固长度约1 700 mm。钢带：采用14号圆钢制作，帮钢筋梯梁D14 mm×3 000 mm。托盘：采用拱形高强度托盘，托盘规格为150 mm×150 mm×10 mm。网片规格：采用10号镀锌铁丝编制的经纬网护帮，规格为3.4 m×1.1 m；网与网压茬宽度100 mm，每隔100 mm用双股16号镀锌铁丝将相邻网片联接牢固，孔孔相连。锚杆布置：排距1 000 mm，每排4根锚杆，间距900 mm。螺纹钢锚杆拧紧扭矩≥100 N·m，锚杆锚固力≥190 kN。在实际施工中，应加强矿压监测，据实际矿压情况，合理调整巷帮支护参数，增设护帮锚索。

加强对巷道顶、帮的监测监控工作，如遇顶板(煤)破碎、离层，煤壁片帮，锚杆托板、锚索托梁受力变形等有压力显现情况时，及时采用补打锚杆、锚索或架设工字钢、U29型钢棚的方式加强巷道支护强度，确保顶板支护有效、安全。具体支护断面图如图3、图4和图5所示。

图3 胶带巷锚网索梁支护断面图(mm)

图4 巷帮支护断面图(mm)

图5 巷顶支护断面图(mm)

3.3 矿压监测结果及分析

通过在胶带巷中设置1个综合观测测站，综合测站距离巷道开口位置500 m处，在施工过程中，及时对巷道表面位移和综合测站锚索锚杆测力计进行观测，收集矿压数据汇总分析，结果如下：

1) 巷道表面位移观测。巷道施工过程中，巷道两帮移近量为221 mm，其中左帮移近量为106 mm，右帮移近量120 mm，巷道顶底板移近量80 mm。巷道收敛较临近巷道稳定。

2) 顶板离层监测。为了观测2202胶带巷支护效果，每隔30 m安设1个离层仪监测顶板离层情况。从离层仪监测结果来看，绝大多数离层仪显示离层值为0，只有极个别高顶区域离层仪显示离层值为3～4 mm。离层仪监测结果表明，全断面强力锚网索梁支护方式有效地控制了顶板的稳定。

3) 锚索受力监测。在2202胶带巷开口500 m处安设1排锚索测力计。从锚索预紧力施加时，锚索的预紧力基本上达到了200 kN。锚索受力随巷道掘进过程中影响不大，锚索受力基本稳定。证明锚索初期就很好地控制了巷道变形。

4 结 语

通过常村煤矿孤岛工作面井下试验，验证了采用高应力锚网索梁联合支护方式的科学性、合理性。通过后期矿压监测数据分析得出，高预应力锚网索梁支护方式使用，增强了围岩的稳定性，能够满足安全回采需求，为今后其他矿井在遇到相似巷道掘进中提供了宝贵经验。