高强预应力强化支护技术在厚层复合顶板回采巷道中的应用
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【摘 要】随着高产高效工作面的应用和开采深度的加大，必然使井下巷道出现高地应力、软弱破碎围岩、大断面及赋存不稳定等一系列不利于巷道围岩控制的特征。传统的U型钢支护属于被动支护，早期不能承载，造成巷道变形严重，影响煤矿的正常生产，针对淮南矿区煤巷支护，我们提出了以锚杆、锚索为主，结合滞后喷注浆的耦合支护方案。本设计针对淮南矿区某矿的13槽煤层进行工程实践。
【关键词】复合顶板；预应力；联合支护；大断面巷道
1 预应力控制技术原理
由于地质历史作用，围岩的构成特点具有非均匀性和非连续性，岩体内部存在着不规则、无规律分布的节理裂隙（原生节理裂隙可视为有一定的规则性，受采动影响后的次生裂隙则不具有这种特性），使围岩的裂断和由此引起的变形、位移直至垮落成为一个随机过程。因此巷道围岩支护的目的是在这个过程中对一些特定状态（危险状态）进行有效的控制，使之引起的后果不至于妨碍正常的作业和危及人的生命安全。
为了保证煤矿安全生产，通过大量的现场实测与理论分析，对在水平地应力作用下预拉力锚杆的作用机理进行深入的研究，建立基于水平地应力的预拉力锚杆支护理论。
2.1 锚杆承载性能的强化
技术手段的升级和创新：高性能预拉力锚杆向超强锚杆方向发展，以实现高强度、高刚度、高预紧力和高可靠性。U型钢支架向型钢热处理、卡缆更新、安装扭矩加大及壁后充填方向发展，以实现大承载、高阻缩动、恒阻滑动的工作状态。
2.2 浅部围岩承载强度的强化
锚杆支护可以提高锚固体破坏前和破坏后的力学参数，改善被锚固体的力学性能，实现对不同形态及破裂程度的岩体强度的直接提高；通过提高径向应力及应力在径向的增加速度，促使围岩由二向应力状态向三向应力状态转化，从而达到提高围岩强度的目的。
2.3 围岩承载结构的强化
针对层状赋存特点、岩体不均衡性产生的弱化区补强，促成围岩承载结构的形成或强化，包括含弱面或软弱夹层的顶板离层控制，以及对帮角岩体破坏区、软弱煤体、开放的底板等采取加固措施。
3 支护参数的确定
根据复合顶板的厚度，将顶板条件分为厚层复合顶板和薄层复合顶板，根据工程类比结合数值模拟对不同厚度的复合顶板采用不同的支护参数。
（1）巷道顶板采用7根IV级左旋螺纹钢超高强预拉力锚杆加4.8m长M5型钢带、钢塑复合网联合支护，锚杆规格为Ф22-M24-2800 mm，每根锚杆用Ф30钻头打眼、两节Z2380型中速树脂药卷加长锚固；锚杆间距750mm，排距800mm。
（2）巷道两帮采用5根II级左旋螺纹钢等强预拉力锚杆加3.2m长M5型钢带、钢塑复合网联合支护，锚杆规格为Ф20-M22-2500mm。每根锚杆采用一节Z2380型中速树脂药卷加长锚固；锚杆间距为750mm，排距为800mm。
（3）在顶板每排锚杆中间位置布置3根单体锚索配大托盘（400×400mm）施工，中间的一根锚索施工在巷道顶板的正中间位置，两边的两根锚索距离中间锚索1.3m，钢绞线规格为Φ17.8×6.3 m，眼孔深度6.0 m，每孔采用三节Z2380中速树脂药卷加长锚固，以保证锚固效果；预紧力80～100kN，锚固力不低于200kN。锚索紧跟迎头施工。
（4）顶/帮破碎处，施工单体锚杆配大托盘加强支护，采用加长锚固方式，每根锚杆采用两节/一节Z2380型中速树脂药卷锚固。巷道超高导致帮部钢带离底板超过300mm时，要求在巷道下方沿走向铺钢带打锚杆，锚固要求不变。具体支护方式如图1所示。
4 矿压观测及支护效果分析
为了测试预应力支护系统条件下巷道围岩活动规律及支护效果，为今后进一步改进和优化锚杆支护参数提供资料， 在巷道掘进过程中对围岩表面位移进行观测。观测内容主要包括巷道表面位移、顶板离层及锚杆锚索的受力情况。
4.1 巷道表面位移的观测
两帮近速度在巷道开挖第7d时达到最大，其速度为55mm/d，随后移近速度迅速减少，至12d时基本达到稳定，此时距掘进工作面度150m。
顶板的下沉速度在成巷第3d即达到最大，速度值为34.5mm/d，此后速度值迅速减少，至第6d基本达到稳定状态，此时距掘进工作面约70m。
从整体上看，两帮的移近速度大于顶板的下沉速度，且两帮移近速度持续时间大于顶板下沉变化显著时间。
4.2 支护效果分析
根据矿压观测结果分析认为：本设计中的参数合理，在深井大断面厚层复合顶板的条件下，顶帮分别采用2.8m和2.5m的长锚杆，6.3m锚索配合槽钢组成锚索梁加强支护，通过高预紧力充分调动围岩的自稳能力，在顶板形成了稳定的承载梁结构，有效抑制了顶板离层，对巷道开挖后的围岩变形起到了很好的控制作用，在掘进期间把巷道的围岩变形、顶板离层均控制在合理的范围之内；锚杆锚索受力状况良好，载荷增长迅速、及时承载。支护方案控制变形效果较好，巷道经受了煤岩蠕变、煤体风化影响的考验，试验取得了成功，达到了预期的支护效果，为下一步1113（3）工作面回采打下了良好的基础。
参考文献：
[1]袁亮，淮南矿区煤巷稳定性分类及工程对策[J].岩石力学与工程学报，2004（7）.
[2]侯朝炯，柏建彪，张农，等.困难复杂条件下的煤巷锚杆支护[J].岩土工程学报，2001（1）.
作者简介：
袁真（1984.9-），男，安徽寿县人，助理工程师，现工作于淮沪煤电有限公司丁集煤矿综采一队，主要从事井下采矿技术与管理工作。