煤矿巷道预应力锚索支护技术的应用研究

郭利军

(山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000)

1 概况

当前小孔径树脂锚固预应力锚索加固技术得到了全面的实践应用，该锚索加固技术采用树脂药卷锚固，单体锚杆钻机施工，安装工序简单，施工速度大幅度提高，因此得到各大煤矿的全面使用。该矿对小孔径树脂锚固预应力锚索加固技术也进行了理论分析研究和实践应用研究。

1)预应力锚索支护技术的机理分析，锚索支护参数设计，锚索长度、预应力、密度等参数的设计，为实践应用提供技术支持。

2)自行设计1×19S-椎21.8多层丝预应力钢绞线，该1×19S结构钢绞线设计为3层丝结构，钢丝根数为19根钢丝，同等规格的钢绞线，钢丝的直径就会变细。可以用于高强度煤矿锚索支护设计用材料。

3)与某公司联合开发MQT-85J系列气动锚杆锚索钻机，可以实验锚索钻机的大扭矩和大推力要求。

4)对锚索预应力损失的影响因素和补偿措施进行了研究。

2 预应力锚索支护技术的实践应用

该矿基于小孔径树脂锚固预应力锚索支护技术的理论分析基础上，对技术方案在该煤矿进行了全面的实践应用。以该矿3324工作面大断面开切眼锚杆与锚索联合支护和3325工作面强烈动压影响巷道全锚索支护为案例，进行了支护设计方案及效果分析研究。

2.1 大断面开切眼锚杆与锚索联合支护的设计

2.1.1 开切眼地质与生产条件

该矿3324工作面，煤层厚度为3.25～7.01m，煤层平均厚度4.82m；煤层倾角为2°～7°，煤层平均倾角5°；煤层直接顶为砂质泥容，平均厚度4.9m，单轴抗压强度为29～58MPa；3324工作面开切眼属3号煤层，沿其底板进行掘进，掘进断面为矩形，断面宽度×高度=7.6m×2.8m，巷道两端断面宽度×高度=9.6m×2.8m。

2.1.2 支护方案

针对3324工作面开切眼巷道的实况，对其用有限差分法(FLAC3D)对设计方案及参数进行模拟，确定采用强力锚杆锚索联合支护，来实现大断面巷道支护的安全。顶板和靠采空区侧帮采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆：采用树脂加长锚固预紧力矩400N·m；直径椎=22mm；长度l=2400mm；屈服强度600MPa，抗拉强度800MPa；顶板和采空区侧帮锚杆排间距分别为：1000m×900mm、1000m×850mm。工作面推进侧帮采用玻璃钢锚杆，直径椎=20mm，长度l=2000mm；组合构件采用W钢带，钢带厚度4mm，并配合高强度拱形锚杆托盘；采用菱形金属网护顶、护帮。顶板锚索采用1×19S-椎21.8多层丝预应力钢绞线，直径椎=21.8mm；长度l=8300mm，锚索锚固剂规格为快速K2335树脂锚固剂1卷、中速Z2360树脂锚固剂2卷，锚索预紧力不小于120kN，锚固力250kN。

2.1.3 支护效果

对3324工作面巷道施工及结束过程进行了开切眼围岩位移及支护体受力进行监测，得到巷道预应力锚索支护受力监测曲线，如图1所示。

图1 巷道预应力锚索支护受力监测曲线

从图1可知两帮位移量不大，巷道第1次掘进时两帮总移近量、强力锚杆支护煤帮位移量、玻璃钢锚杆支护煤帮位移量分别为77.2mm、19.8mm、54.9mm；巷道第2次掘进时两帮总移近量、强力锚杆支护煤帮位移量、玻璃钢锚杆支护煤帮位移量分别为31.4mm、9.9mm、24.7mm。掘进中顶板下沉不明显，变形量较小，锚杆预紧力保持在73～140kN；锚索预紧力保持在100～420kN之间，锚索、锚杆受力状态良好。该强力锚杆锚索联合支护设计合理，可以有效控制开切眼围岩的变形量。

2.2 强烈动压影响巷道全锚索支护的设计

2.2.1 巷道地质与生产条件

该矿4325工作面属于强烈动压影响巷道，煤层厚度为2.84～5.35m，煤层平均厚度4.05m；煤层倾角为3°～8°，煤层平均倾角6°；煤层直接顶为泥岩，平均厚度3.5m；煤层基本顶为细砂岩，平均厚度3.9m。瓦排巷沿4号煤层顶板进行掘进，瓦排巷断面为矩形，净宽×净高=4.0m×3.2m，该瓦排巷掘进过程中受4326回采工作面的采动影响，动压影响系数增大，巷道变形量会增大。

2.2.2 支护方案

针对4324工作面瓦排巷的实况，对其用有限差分法(FLAC3D)对设计方案及参数进行模拟，确定采用全长预应力锚固，全断面锚索支护设计，如图2所示。

支护参数：锚索采用1×19S-椎21.8多层丝预应力钢绞线，直径椎=21.8mm；长度l=4300mm，锚索锚固剂规格为快速K2335树脂锚固剂1卷、中速Z2360树脂锚固剂2卷。首先对锚索施加预应力，然后用水泥浆全长锚固锚索，接着使用锚索止浆塞封孔。顶板每排5根锚索，排间距1200mm×900mm；每帮每排3根锚索，间距1200mm×900mm。锚索托板为300mm×300mm×16mm高强度可调心注浆用托板，采用钢筋网护顶、护帮，网孔尺寸100mm×150mm。该支护设计方案采用了高预应力的短锚索设计，有效的提高锚索预应力到300kN。

图2 全断面锚索支护设计示意图

2.2.3 支护效果

对4324瓦排巷道表面位移情况进行监测，得表面位移曲线，如图3所示。

图3 4324瓦排巷表面位移监测曲线

从图3可知，4323瓦排巷掘进前期巷道围岩变形量非常小，左帮、右帮、两帮、顶底的表面班最大移近量分别为90mm、80mm、140mm、120mm。在掘进后期，受4326回采工作面的采动影响矿压显现强烈；左帮、右帮、两帮、顶底最大移近量为150mm、128mm、220mm、260mm，相对掘进前期巷道变形量增幅较大，但是整个掘进期间瓦排巷无离层现象，围岩变形量和位移较小，在合理的范围之内。从瓦排巷表面位移监测曲线可知，该全锚索支护设计方案有效合理。

3 存在的问题及改进建议

该矿井下巷道预应力锚索支护技术已得到了全面的应用，该矿在预应力锚索支护技术的理论研究和实践应用方面取得了较好的研究成果。但是在实践应用过程中，也发现了一些存在的问题，必须进行进一步的改进。

1)实践应用过程中，对于锚索应用过度重视，造成锚索过长、过密现象，从而在一定程度上造成支护材料的浪费。需要从提高锚索预应力的角度来提高锚索支护效果。

2)锚索支护的材料与构件的适用面还不广，必须针对不同地质条件，不同围岩条件，设计更多的系列化的锚索结构。

3)要加强锚索受力情况的监测，将支护效果进行数据化处理，有效提高锚索支护的安全性。

4 结论

预应力锚索支护技术在西曲矿特大断面开切眼、强烈采动时影响巷道的实践应用效果表明，预应力锚索支护技术能有效控制煤矿井下巷道围岩的变形量，支护效果理想，为实现该矿高产高效安全的开采目标奠定了基础。