高預應力錨桿支護技術及其在復雜困難煤巷中的應用

摘 要:針對高應力等復雜困難巷道條件，分析了錨桿支護作用，提出高預應力錨桿支護原理，大幅度提高支護系統的初期支護剛度與強度，保持圍巖的完整性，減少圍巖強度降低;高預應力錨桿支護技術成功應用于棗泉煤礦高地應力巷道，巷道變形降低70%左右，巷道支護狀況發生了本質改變。實踐證明，高預應力錨桿支護技術可有效控制圍巖變形與破壞。

關鍵詞:高預應力;錨桿支護;復雜困難巷道

中圖分類號:TB

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)12-0337-01

1 高預應力錨桿支護原理

目前，高強度錨桿支護已成為煤礦巷道首選的、主要的支護方式，在一般條件下取得良好的支護效果，但對于復雜困難巷道，錨桿使用密度很大，圍巖變形仍然十分劇烈，支護效果并不理想。通過跟蹤大量巷道冒頂事故及頂板嚴重離層變形的工程現象，發現圍巖變形強烈甚至導致冒頂的原因是錨桿支護系統的剛度和強度過低造成的。提高巷道錨桿預應力，可以有效控制巷道圍巖變形量，極大地提高巷道的穩定性。

康紅普等根據現有錨桿支護存在的錨桿預應力小，預應力擴散效果差，支護剛度低，致使錨桿主動支護作用不能充分發揮，不能有效控制圍巖離層與破壞等缺點，針對高地應力等復雜困難巷道條件提出高預應力錨桿支護作用機理:

(1)預應力錨桿支護主要作用在于控制錨固區圍巖的離層、滑動、裂隙張開、新裂紋產生等擴容變形與破壞，盡量使圍巖處于受壓狀態，抑制圍巖彎曲變形、拉伸與剪切破壞的出現，最大限度地保持錨固區圍巖的完整性，提高錨固區圍巖的整體強度和穩定性。

(2)錨桿預應力及其擴散對支護效果起著決定性作用。根據巷道圍巖條件確定合理的預應力，并使預應力實現有效擴散是支護設計的關鍵。單根錨桿預應力的作用范圍很有限，錨桿托板、鋼帶和金屬網等構件能夠將預應力擴散到離錨桿更遠的圍巖中，在預應力支護系統中發揮極其重要的作用。

(3)預應力錨桿支護系統存在臨界支護剛度，即錨固區不產生明顯離層和拉應力區所需要支護系統提供的剛度。支護剛度的關鍵影響因素是錨桿預應力，因此，存在錨桿臨界預應力值，當錨桿預應力達到一定數值后，可以有效控制圍巖變形與離層，而且錨桿受力變化不大。

2 工程地質條件

棗泉煤礦11201工作面回風巷處于碎石井背斜軸西翼，巷道位于二煤煤層中，二煤煤厚4.74-9.42m，平均厚7.88m。煤層傾角8°，巷道沿煤層底板掘進，設計為矩形斷面，掘進寬度4800mm，掘進高度3850mm。該回風巷位于西翼首采區首采面，靠近碎石井背斜軸部，在掘進到1300m左右時，巷道壓力明顯增大，煤炮聲頻繁，上幫圍巖破碎，巷道頂板及上幫變形較大，多處發生錨桿、錨索斷裂現象，嚴重影響掘進速度，兩個半月共掘進160m，平均日進尺在2m左右，且巷道安全無法保證，已經采用架棚維護。實踐證明原有支護方案已經不能滿足高地應力巷道支護，為此，針對高地應力巷道進行了高預應力錨桿支護技術井下試驗。

3 高預應力錨桿支護試驗

3.1 錨桿支護設計

針對巷道高地應力特點，結合數值模擬結果，確定支護方案為:頂錨桿采用直徑22mm長度2.4m的500號左旋無縱筋專用螺紋鋼錨桿，極限拉斷力266kN，屈服力為190kN，延伸率22%;幫錨桿采用直徑20mm長度2.0m的500號左旋。

無縱筋專用螺紋鋼錨桿，極限拉斷力200kN，屈服力為160kN，延伸率22%。樹脂加長錨固，預緊力矩設計為400N.m。頂部采用寬280mm、厚3mm的W鋼帶，幫部采用寬280mm、長450mm、厚5mm的W型鋼護板等組合支護構件。錨索采用φ17.8mm長7.3m的預應力鋼絞線，錨索托板采用300×300×16鋼板制作的拱型托板，錨索預緊力達到180kN。錨桿間排距由原來的800×800mm增大到1000×1000mm。具體支護參數見圖1。

圖1 錨桿支護布置圖

3.2 支護效果對比

3.2.1 原支護方案與新支護方案對比

從井下現場來看，支護效果比原來支護有明顯改善，原有錨桿支護段頂板下沉量在950mm左右，兩幫移近量在770mm左右。高預應力錨桿支護頂板下沉量在280mm左右，兩幫移近量在100mm左右，分別比原錨桿支護巷道降低70%和87%左右，巷道圍巖變形降低幅度非常顯著。頂板和上幫由原來的隨掘隨冒和片幫嚴重變為現在的頂板及上

幫很平整。掘進速度由原來的日進尺2m左右提高到日進尺

10-12m，掘進速度提高了5-6倍，且避免了前掘后修的現象。

3.2.2 高預應力與低預應力支護效果對比

采用新支護方案后，開始200m由于沒有購進專用的預緊工具，預緊力矩仍停留在120N.m左右，結果巷道變形仍然很大，頂板下沉量在740mm左右，兩幫移近量為330mm左右。通過鉆孔窺視(見圖2、圖3)可以看到:頂板2.4m范圍內煤體裂隙已經非常發育，煤體破碎嚴重。導致錨桿錨固段失效，錨桿失去作用，隨頂板整體下沉。

采用專用的預緊工具后，預緊力矩達到400N.m，巷道變形得到有效控制，頂板下沉量減小到280mm左右，兩幫移近量減小到100mm左右。頂板煤體保持完整，裂隙發育不明顯。

圖2 低預應力支護段鉆孔窺視結果

圖3 高預應力支護段鉆孔窺視結果

3.3 高預應力錨桿支護效果分析

根據棗泉煤礦高應力巷道井下試驗情況，高預應力錨桿支護技術的支護效果主要表現為:通過大幅度提高錨桿預緊力及支護系統的剛度和強度，可有效控制圍巖離層、滑動、裂紋擴展以及新裂紋的產生等擴容變形，顯著減小圍巖離層、變形、破壞范圍與松動區的大小，保持圍巖的完整性與穩定性。

4 結論

高預應力錨桿支護技術在棗泉煤礦高地應力巷道中得到成功應用，巷道圍巖變形降低70%左右，巷道支護狀況發生了本質的改變。采用高預應力、高強度和高剛度的主動錨桿支護，使錨桿支護真正實現了主動、及時支護，充分發揮了錨桿的支護能力。大幅度提高錨桿支護系統的剛度與強度可有效減小圍巖變形與破壞范圍，高預應力錨桿支護技術為復雜困難巷道提供了有效的支護方式。

參考文獻

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