高預應力錨網索梁支護方式在孤島工作面探索應用

郭小剛

(潞安環能股份公司 常村煤礦，山西 長治 046102)

巷道支護方案的安全高效性為礦井高質量發展提供重要技術保障，特別是在孤島工作面、“三下一上”采煤過程中巷道支護對支護要求極為苛刻。合理的支護方式能夠使巷道在服務期限內變形量維持在一定區間范圍之內，從而減少二次護巷返工帶來的物料浪費。

常村煤礦2202綜采工作面為孤島工作面布置，該工作面兩側均受到采動影響，巷道壓力比較大，煤體破碎，巷道頂板下沉嚴重，兩幫收斂明顯，錨桿錨索崩斷數量較多，原有支護方式不能有效滿足安全回采需求，不利于安全生產。結合該區域煤巖取樣力學性質及相鄰巷道日常礦壓監測結果，綜合分析采用高強錨網索梁聯合支護的方式。通過實踐發現巷道的變形問題取得較大突破，頂底板位移量明顯減小。

1 工作面概況

2202綜放工作面南鄰2203綜放工作面采空區20 m，北鄰2201綜放工作面采空區20 m，東鄰S3-12工作面采空區45 m、西接22采區大巷，屬于孤島工作面。2202工作面有效推進長度1 043 m，工作面切眼長249 m。工作面范圍內主要發育有KX39陷落柱、aXn7陷落柱和KF42斷層，地質條件較為復雜。2202工作面平面示意見圖1。

圖1 2202工作面平面示意

2 工作面臨近巷道支護及圍巖變形破壞情況

2202綜放工作面北鄰2201綜放工作面，其中2201綜放工作面膠帶巷采用矩形斷面(凈寬5.1 m×凈高3.3 m)與2202綜放工作面膠帶巷斷面尺寸完全相同。但是2201膠帶巷采用傳統的錨網支護方式，巷道頂部錨桿規格為D22 mm×2 400 mm讓壓錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，頂角錨桿向兩幫傾斜25°，中部錨桿垂直巷道頂板，托板為150 mm×150 mm×10 mm型蝶形托板，采用2支MSCK2350樹脂錨固劑。巷道幫部錨桿規格為D22 mm×2 400 mm讓壓錨桿，間排距為1 300 mm×1 000 mm，幫角錨桿向頂底板傾斜10°，中部錨桿垂直巷道兩幫，托板為150 mm×150 mm×10 mm型蝶形托板，采用2支MSZ2350中速樹脂錨固劑。巷道頂部錨索垂直頂板呈小三花布設，規格為D22 mm×6 300 mm，排距為900 mm，垂直巷道頂板，托板為300 mm×300 mm×16 mm可調心托板，藥卷采用3支MSZ2350型樹脂藥卷。錨桿的錨固力190 kN，扭緊力矩不小于300 N·m；錨索預應力不小于250 kN。支護斷面圖見圖2。

圖2 2201工作面膠帶巷巷道支護斷面圖(mm)

目前發現2201工作面膠帶巷圍巖變形有以下幾個特點：①巷道圍巖量很大，圍巖比較破碎。②巷道最初變形量最大。③巷道圍巖變形持續時間長。④巷道四周來壓導致圍巖發生變形。施工過程中出現頂底板變形和底鼓現象。⑤工作面煤壁易受采動影響，出現垮落片幫現象。

3 2202膠帶巷支護設計優化及效果分析

3.1 支護參數確定原則

1) 一次支護原則。工作面支護必須保證一次完工。減少返工多次維護。這樣一方面符合安全高效生產要求，另一方面巷道首次揭露一次支護效果最佳。一旦出現圍巖破壞采用多次維護不僅浪費物料還帶來很大的安全隱患。

2) 高預應力和預應力擴散原則。巷道被動支護和主動支護中預應力是主要因素，主動支護采用高預應力，進而發揮主動支護效果。首先通過專用工具施加錨(索)桿高預應力；其次通過方托板、W鋼護板等構件擴散預應力，增大作用范圍，提高支護的穩定性。

3) “三高一低”原則。錨網支護中支護材料材質占主要因素，強力度、高強度、高可靠性與低支護密度相配合原則。在提高錨(索)桿強度、剛度，保證支護系統可靠性的前提下，降低支護密度，減少對圍巖的擾動，提高掘進效率。

3.2 支護設計方案

通過對2202工作面取樣，由山西省地質礦產研究院進行巖石力學實驗并出具編號為YS208079煤巖檢測報告，如表1所示。巖石的力學性質差別相對較小，同種巖性巖石的力學性質差別也較小，通過壓力試驗機實驗得到的結果可以為以下支護設計及優化提供基礎巖石力學指導。

表1 YS208079煤巖檢測報告

通過臨近工作面巷道支護類比和日常礦壓觀測數據，配合現有施工工藝和工程實踐經驗，確定在2202工作面膠帶巷采用全斷面高預應力錨網索梁聯合支護方式。2202膠帶巷采用矩形斷面，掘進寬度為5.3 m，凈寬為5.1 m，掘進高度為3.4 m，凈高為3.3 m，凈斷面積為16.83 m2。

該巷道頂幫具體支護如下：

1) 頂板支護。錨桿形式和規格：采用強力錨桿B500材質，桿體為22號左旋無縱筋螺紋錨桿，長度為2.4 m，錨尾螺紋為M24。錨固方式：樹脂加長錨固，兩支MSCK2350型超快速樹脂錨固劑；鉆孔直徑為30 mm，錨固長度1 700 mm左右。鋼帶：采用14號圓鋼制作，頂鋼筋梯梁D14 mm×4 900 mm。托盤：采用拱形高強度托盤，托盤規格為150 mm×150 mm×10 mm。網片規格：采用10號鍍鋅鐵絲編制的經緯網護頂，規格為5.3 m×1.0 m；網與網壓茬寬度100 mm，每隔100 mm用雙股16號鍍鋅鐵絲將相鄰網片聯接牢固，孔孔相連。錨桿布置：錨桿排距1 000 mm，每排6根錨桿，間距900 mm。錨索：采用高強度低松弛預應力鋼絞線錨索，單根鋼絞線D22 mm，長度8.3 m，加長錨固，采用3支Z2350，錨固長度約1.9 m。錨索托盤：300 mm×300 mm×16 mm；錨索采用小五花式布置。頂板較為破碎區域：采用錨索加槽鋼支護，錨索槽鋼采用18號×4 200 mm和18號×2 400 mm的槽鋼及配套鎖具，間排距1 800 mm×900 mm，小五花式布置。

2) 巷幫支護。錨桿形式和規格：左右兩幫采用強力錨桿B500材質，桿體為22號左旋無縱筋螺紋錨桿，長度為2.4 m，錨尾螺紋為M24。錨固方式：樹脂加長錨固，采用2支樹脂錨固劑，Z2350中速樹脂錨固置于鉆孔底部，實際錨固長度約1 700 mm。鋼帶：采用14號圓鋼制作，幫鋼筋梯梁D14 mm×3 000 mm。托盤：采用拱形高強度托盤，托盤規格為150 mm×150 mm×10 mm。網片規格：采用10號鍍鋅鐵絲編制的經緯網護幫，規格為3.4 m×1.1 m；網與網壓茬寬度100 mm，每隔100 mm用雙股16號鍍鋅鐵絲將相鄰網片聯接牢固，孔孔相連。錨桿布置：排距1 000 mm，每排4根錨桿，間距900 mm。螺紋鋼錨桿擰緊扭矩≥100 N·m，錨桿錨固力≥190 kN。在實際施工中，應加強礦壓監測，據實際礦壓情況，合理調整巷幫支護參數，增設護幫錨索。

加強對巷道頂、幫的監測監控工作，如遇頂板(煤)破碎、離層，煤壁片幫，錨桿托板、錨索托梁受力變形等有壓力顯現情況時，及時采用補打錨桿、錨索或架設工字鋼、U29型鋼棚的方式加強巷道支護強度，確保頂板支護有效、安全。具體支護斷面圖如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 膠帶巷錨網索梁支護斷面圖(mm)

圖4 巷幫支護斷面圖(mm)

圖5 巷頂支護斷面圖(mm)

3.3 礦壓監測結果及分析

通過在膠帶巷中設置1個綜合觀測測站，綜合測站距離巷道開口位置500 m處，在施工過程中，及時對巷道表面位移和綜合測站錨索錨桿測力計進行觀測，收集礦壓數據匯總分析，結果如下：

1) 巷道表面位移觀測。巷道施工過程中，巷道兩幫移近量為221 mm，其中左幫移近量為106 mm，右幫移近量120 mm，巷道頂底板移近量80 mm。巷道收斂較臨近巷道穩定。

2) 頂板離層監測。為了觀測2202膠帶巷支護效果，每隔30 m安設1個離層儀監測頂板離層情況。從離層儀監測結果來看，絕大多數離層儀顯示離層值為0，只有極個別高頂區域離層儀顯示離層值為3～4 mm。離層儀監測結果表明，全斷面強力錨網索梁支護方式有效地控制了頂板的穩定。

3) 錨索受力監測。在2202膠帶巷開口500 m處安設1排錨索測力計。從錨索預緊力施加時，錨索的預緊力基本上達到了200 kN。錨索受力隨巷道掘進過程中影響不大，錨索受力基本穩定。證明錨索初期就很好地控制了巷道變形。

4 結 語

通過常村煤礦孤島工作面井下試驗，驗證了采用高應力錨網索梁聯合支護方式的科學性、合理性。通過后期礦壓監測數據分析得出，高預應力錨網索梁支護方式使用，增強了圍巖的穩定性，能夠滿足安全回采需求，為今后其他礦井在遇到相似巷道掘進中提供了寶貴經驗。