2-105 工作面進風巷高預應力錨桿支護技術研究與應用

席建立

（山西霍寶干河煤礦有限公司，山西 洪洞 041600）

1 工程概況

山西焦煤集團霍寶干河煤礦2-105 工作面位于2#煤層一采區左翼，工作面西北側為F13 斷層，西南側為一采區三條大巷，東北側為小河村保安煤柱邊界，東南側為下張端斷層。2#煤層均厚為4.2m，平均傾角為6°，煤層頂板巖層為砂質泥巖和中粒砂巖，底板為砂質泥巖和中粒砂巖，具體頂底板巖層特征如表1 所示。

2-1052 巷道為2-105 工作面的進風巷，巷道沿2#煤層頂板掘進，巷道的掘進寬度為4.7m，掘進高度為3.5m。由于巷道直接頂巖層砂質泥巖中存在著一定的煤線，且直接頂巖層多由砂質泥巖和泥巖的互層組成，節理裂隙較為發育，屬于復合頂板，另外煤層較為松軟，為保障2-1052 巷道圍巖的穩定，防止巖層離層現象出現，擬采用高預應力錨桿支護技術。

表1 2#煤層頂底板巖層特征表

2 高預應力錨桿支護分析

2.1 錨桿預緊力控制頂板離層效果試驗

為有效分析錨桿預緊力對控制頂板離層的效果，根據2-105 工作面的具體地質條件，結合巷道自然平衡拱高度，選擇在2-1052 巷道開口200m 的范圍內對錨桿預緊力控制頂板離層的效果進行監測分析。在巷道走向方向上每間隔50m 設置一個離層儀作為觀測點，離層儀布置在錨桿錨固范圍中心的位置處[1-3]，設置錨桿預緊力20kN、40kN、60kN和80kN 四個等級，分別觀測不同預緊力區域離層儀的變化情況，具體觀測結果如圖1 所示。

圖1 不同預緊力條件下淺部和深部巖層變化情況

通過分析圖1 可知，隨著錨桿預緊力的增大，淺部圍巖的離層量出現明顯減小的趨勢。錨桿預緊力從20kN 增大到80kN 時，淺部巖層的離層量從66mm 減小到2mm，且淺部巖層的離層量基本與錨桿的預緊力呈現出反比例的關系。基于此可知，針對復合頂板巷道其錨桿的預緊力能夠有效地控制其淺部巖層的離層量，在進行巷道支護設計時，可通過增大錨桿預緊力的方式提高頂板的支護強度和控制效果。隨著錨桿預緊力的增大，深部巖層之間的離層值變化較小，基本均在45～49mm 范圍內，這表明深部圍巖受到錨桿預緊力的控制效果較小，錨桿預緊力對其錨固范圍以外的巖體控制效果弱，深部巖層的穩定性主要受到自身物理力學性質和穩定性的影響。

2.2 錨索預緊力對頂板支護效果影響

根據上節分析可知，錨桿預緊力能夠有效控制復合頂板巷道淺部巖層間的離層現象。為充分分析錨桿預緊力對頂板支護效果的具體影響，根據2-105工作面的具體情況，進行不同錨索預緊力條件下頂板支護效果的分析。設置錨索預緊力分別為60kN、70kN、80kN、90kN、100kN 和110kN 預緊力下巖層控制效果，根據數值模擬得出不同預緊力下頂板垂直方向上位移的變化曲線如圖2 所示。

通過分析圖2 可知，隨著錨索預緊力的增大，2-105 工作面進風巷頂板的垂直位移總體呈現為逐漸減小的趨勢。在錨索預緊力為60kN、80kN、90kN 和110kN 時，復合頂板的最大下沉量分別為119.57mm、106.48mm、98.15mm 和81.24mm。通過具體分析上述數據可知，當頂板錨索預緊力每增大10kN 時，復合頂板的最大下沉量平均降低7.67mm。基于此可知，隨著錨索預緊力的逐漸增大，復合頂板的下沉量逐漸降低，故在錨索的允許應力范圍內，應盡可能地增大錨索的預緊力，進一步控制頂板淺部巖層和深部巖層的變形，保障巷道復合頂板的穩定。

圖2 不同預緊力條件下頂板垂直位移量分布圖

3 支護方案及效果

3.1 支護設計

根據2-105 工作面頂底板巖層的具體特征，結合錨桿預緊力和錨索預緊力分析結果，進行高預應力錨桿支護技術的設計，具體參數如下：

（1）頂板支護。錨桿采用左旋無縱筋高強錨桿，規格為Φ18mm×2600mm，每排布置6 根，間排距為800mm×1000mm，兩頂角錨桿與頂板成75°布置，其余錨桿垂直于巷道頂板布置。托盤采用規格為150mm×150mm×10mm 的鋼板托盤，采用端頭錨固，錨固長度為1093mm。基于上述錨桿預緊力的分析，設置錨桿預緊力矩為300N·m，轉化為預緊力即為60～80kN[4-5]。錨索采用1×7 股預應力鋼絞線，規格為Φ15.24mm×8300mm，每排布置2根錨索，間排距為1600mm×1000mm，頂角錨索與頂板成75°布置，中部錨索垂直頂板布置。錨索采用加長錨固，理論錨固長度為1150mm。錨索預緊力初始張拉預緊力為80～120kN。另外采用長度為4.5m、規格為4700mm×75mm×12mm 的鋼帶將錨桿索連接為一個整體，掛設Φ4mm 的鋼筋經緯網進行護頂。

（2）幫部支護。錨桿采用Q235 圓鋼錨桿，規格為Φ16mm×2200mm，幫部靠近頂板的錨桿與幫部成25°安設，其余均垂直于巷幫安設，間排距為1000mm×1000mm。托盤采用規格為150mm×150mm×10mm 的高強度的平托盤，錨桿采用加長錨固，理論錨桿長度950mm，設置預緊力矩為200N·m，轉化為預緊力即為30kN。幫部同樣采用鋼帶將錨桿連接為一個整體，并掛設11#鐵絲網進行護幫。

具體2-1052 巷道高預應力錨桿的支護方式如圖3 所示。

圖3 2-1052 巷道高預應力錨桿支護方式斷面圖

3.2 支護效果分析

為驗證分析2-1052 巷道采用高預應力錨桿支護技術的圍巖控制效果，在巷道掘進期間，在距離巷道掘進頭10m 的位置處布置表面位移監測站，進行圍巖變形的長期觀測作業。根據觀測結果能夠得出表面位移情況如圖4 所示。

通過分析圖4 可知，在巷道掘進期間，隨巷道掘出時間的增大，頂板下沉量和兩幫變形量均呈現出逐漸增大的趨勢。其中頂板下沉量及兩幫移近量的變形均主要出現在巷道掘進后的0～5d 內。在巷道掘出后5d 時，頂板下沉量和兩幫移近量分別為51mm 和54mm。頂板下沉速率的最大值在巷道掘出3d 后出現，其值為13mm/d，兩幫變形速率的最大值同樣在巷道掘出后的3d 出現，約為13mm/d。在巷道掘出5d 后，頂板及兩幫的變形量逐漸趨于穩定，直至巷道掘出10d 后，頂板的下沉速度變為0，兩幫的變形速率也降為0，最終頂板下沉量及兩幫變形量的最大值分別為57mm 和64mm。

圖4 巷道掘進期間圍巖變形量

4 結論

根據2-105 工作面進風巷頂底板巖層特征的情況，通過錨桿預緊力控制頂板離層效果試驗，分析了不同錨桿預緊力對頂板離層的控制效果，得出了錨桿預緊力能夠對淺部巖層進行有效控制。通過分析不同錨索預緊力對頂板變形量的控制效果，結合巷道特征進行支護方案設計，根據巷道掘進期間表面位移監測結果，巷道頂板下沉量及兩幫移近量的最大值分別為57mm 和64mm，保障了巷道圍巖的穩定。