高強高預應力錨桿在深部開采的應用

于軍利

（山西沁和能源集團曲堤煤業有限公司，山西 沁水 048205）

目前，煤礦企業多數選用錨桿支護技術做為其首選的支護方式。錨桿支護經歷了從低強度、高強度到高預應力、強力支護的發展過程。通過不斷研究、試驗與推廣應用，預應力錨桿支護技術也得到大面積推廣應用。以沁和能源集團曲堤煤礦-850m水平1202E運輸巷的支護進行具體說明。

1 概況

曲堤煤礦目前開采深度超過1000m，屬于深井開采。1202E運輸巷位于-850m水平一采下山區東翼，埋深1150m，巷道以東為尚未開采的1202E工作面，以北、以西為F22斷層，以南為1201E工作面采空區，下覆煤4未開采；走向80～90°，傾向NW-N，設計長度1340m。

巷道沿二煤頂板掘進，該區域二煤平均厚度2.4m，厚度穩定，中間夾一層厚0.02m炭質頁巖夾石，硬度系數f=2～3，煤層傾角20～26°；直接頂為砂質頁巖，性脆致密，水平層理發育，破碎易冒落，厚6.5m；其上為煤1，黑色，松軟破碎，厚為0.5m；直接底為黏土巖，遇水膨脹變軟，厚度0～0.5m；其下為砂質頁巖，厚2.2m，深灰色，塊狀，含植物化石。

2 1202E運輸巷支護情況分析

曲堤煤礦進入深部開采以前，普遍使用普通錨桿支護。進入深部開采后，由于深部高應力作用，巷道圍巖呈現明顯的弱化和軟化現象，并具有明顯的時間效應，圍巖流變性強，非線性大變形趨勢強烈，普通螺紋鋼錨桿支護方式已不適應深部高應力軟巖巷道支護，主要表現為：

（1）螺紋鋼錨桿預緊力低，不能及時有效約束和控制圍巖變形。普通螺紋鋼錨桿預緊力低，不能約束和控制圍巖變形，造成巷道變形量兩幫600～1200mm，頂板彎曲下沉100～600mm，底鼓量600～1300mm，需多次修復，不僅增加維修費用，而且影響安全生產。

（2）螺紋鋼錨桿強度低，斷錨桿現象較嚴重。Φ22普通螺紋鋼錨桿屈服極限131kN，強度極限189kN，在礦井高應力條件下，強度偏低，因此造成在掘進影響期和掘進穩定期有斷錨桿現象，而在采煤影響期，斷錨桿現象更加嚴重，幫部底角錨桿和肩角錨桿幾乎全部斷掉，造成整個幫部支護失效。

因此，需要研究深井高應力條件下的新型錨桿支護技術，解決深井高應力巷道的支護難題，為此在1202E運輸巷進行了不同支護方式的對比觀測研究。

3 預應力高強錨桿的支護方案

1202E運輸巷斷面形狀為拱形，參數見圖1。采用高預緊力高強錨桿支護段的支護方案如下：

（1）錨桿材質。錨桿材質600#鋼，螺紋滾絲段強度要等于或高于桿體強度，延伸率≥15%。600#鋼在300N·m扭矩時，預緊力達500kN以上；400N·m扭矩時，預緊力可達600kN以上。

（2）桿體直徑。為有效地控制頂板巖層的變形和離層，頂板錨桿必須給予頂板足夠的支護阻力，因此頂板錨桿直徑選用25mm；為較好控制兩幫變形，兩幫錨桿直徑也選用25mm。

（3）錨桿長度。根據現場實際，選用工程類比法，確定錨桿長度為：頂板2200mm、兩幫2200mm；為控制底臌，兩幫底角加長錨桿長度為2400mm。

（4）錨桿間排距。頂板錨桿間排距800×800mm；兩幫錨桿間排距900×800mm。

（5）錨固劑及錨固長度。樹脂錨固劑錨固長度≥700mm。

（6）組合錨桿附件。頂板“W”型鋼帶4000×300×5mm；兩幫“W”型鋼帶2000×300×5mm；頂板10#菱形鐵絲網4000×800mm；兩幫雙抗方格網2000×800mm。詳見圖1。

圖1 巷道支護斷面圖

4 礦壓觀測分析

4.1 礦壓觀測設點

1202E運輸巷不同錨桿支護段見圖2所示。為進行對比分析，分別在螺紋鋼錨桿支護段、高預緊力普通錨桿段和高預緊力高強錨桿段分別設表面位移觀測站。

圖2 1202E運輸巷分段支護觀測圖

4.2 表面位移礦壓觀測分析

經過一個時期的礦壓觀測，取得了大量的觀測數據。數據顯示：

（1）高預緊力高強錨桿支護段，巷道開掘后10d圍巖變形趨于穩定，說明高預緊力錨桿約束并控制住了圍巖變形，使圍巖早期穩定，減少破壞。

（2）高預緊力普通錨桿支護段，巷道開掘后經過20d急劇變形和16d緩慢變形后，巷道圍巖才趨于穩定，由開掘至巷道圍巖穩定時間相對較長約為36d，說明高預緊力普通錨桿控制圍巖效果較差，不利于巷道圍巖早期穩定，對圍巖造成一定程度的破壞。

（3）普通螺紋鋼錨桿支護段，巷道開掘后41d圍巖變形才趨于變緩，沒有穩定變形期，圍巖一直處在較大變形之中，說明普通螺紋鋼錨桿未能控制和約束住巷道圍巖變形，直至導致網巖破壞失穩。

（4）兩幫變形量及變形速度，螺紋鋼錨桿是高預緊力高強錨桿的4.5倍，是高預緊力普通錨桿的1.5倍。

（5）頂底板變形量及變形速度，螺紋鋼錨桿是高預緊力高強錨桿的3.3倍，是高預緊力普通錨桿的1.1倍。

（6）普通螺紋鋼支護巷道圍巖轉入穩定時間是高預緊力高強錨桿的4.1倍，是高預緊力普通錨桿的3.6倍。以上礦壓顯現結果表明，高預緊力高強錨桿對圍巖控制效果最好，在深井高應力條件下能夠保持巷道穩定，能夠滿足采煤工作面順槽在服務期內的要求。

5 結論

在無現實經驗的情況下，曲堤煤礦在1202E運輸巷進行了各種錨桿支護方式的對比實驗研究。實驗表明，在高應力條件下，錨桿支護的高預緊力指標和高強度指標是保持巷道穩定的重要條件，兩者同樣重要。根據這一實驗結論，曲堤煤礦1202E運輸巷及后續的深井采煤巷道支護中，廣泛應用了高預緊力高強錨桿，取得較好效果。