高预应力强力锚杆支护技术在工作面回采巷道支护设计中的应用

高预应力强力锚杆支护技术在工作面回采巷道支护设计中的应用

发布时间：2022-01-04T06:31:43.023Z 来源：《新型城镇化》2021年23期作者：杨飞

[导读] 母杜柴登煤矿煤层埋藏深度为650m左右，地应力水平较高，在高地应力作用下，煤岩体具有较强的时间效应，存在明显的流变或蠕变；煤岩体的扩容现象突出，导致巷道支护存在一系列的问题。本文以母杜柴登煤矿30101工作面胶运顺槽为工程背景，分析了前期巷道支护中存在的问题，对目前所采用的支护材料进行了锚杆扭矩转化试验及锚索预紧力损失试验，并通过数值模拟计算，分析了不同支护方式下围岩应力场的分布特征，提出了高预应力强力锚杆支护方案，并对支护参数进行详细说明，保证现场支护效果，有利于保持巷道围岩的稳定性。

鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司内蒙古自治区鄂尔多斯市 017212

摘要：母杜柴登煤矿煤层埋藏深度为650m左右，地应力水平较高，在高地应力作用下，煤岩体具有较强的时间效应，存在明显的流变或蠕变；煤岩体的扩容现象突出，导致巷道支护存在一系列的问题。本文以母杜柴登煤矿30101工作面胶运顺槽为工程背景，分析了前期巷道支护中存在的问题，对目前所采用的支护材料进行了锚杆扭矩转化试验及锚索预紧力损失试验，并通过数值模拟计算，分析了不同支护方式下围岩应力场的分布特征，提出了高预应力强力锚杆支护方案，并对支护参数进行详细说明，保证现场支护效果，有利于保持巷道围岩的稳定性。

关键词：高地应力，数值模拟，高预应力，强力支护

前言

煤矿巷道支护经历了木支护、砌碹支护、型钢支护到锚杆支护的漫长过程，支护理念也由传统的被动支护转为主动支护[1]。与棚式支架支护相比，锚杆支护显著提高了巷道支护效果，降低了巷道支护成本，减轻了工人劳动强度，更重要的是大大简化了采煤工作面端头支护和超前支护工艺，改善了作业环境，保证了安全生产，为采煤工作面的快速推进创造了良好条件。目前高预应力强力锚杆支护已经得到了广泛的应用[2-3]。然而，地下巷道围岩工程控制效果如何，不但取决于支护形式的选择，而且受巷道所处的地质条件、巷道围岩应力状态等所制约；对深井高应力巷道，如何选择合理的支护对策，如何针对巷道具体的围岩应力状态应用好锚杆、锚索这种先进经济的支护方式，无疑具有一定的理论意义和较大的实用价值[4-5]。本文以母杜柴登煤矿30101工作面胶运顺槽为例，通过分析巷道所处的地质条件及围岩应力状态，并对支护材料进行相关力学性能实验，提出高预应力强力锚杆支护技术，并应用于现场施工，有效解决了现场巷道支护的难题。

1 母杜柴登煤矿地质条件及支护存在的问题

井下主采煤层为3-1煤，煤层平均厚度5.68m，煤层埋藏深度为650m左右，地应力水平较高，煤层直接顶为泥质粉砂岩，老顶以中粒砂岩和细粒砂岩为主，顶板完整性较好，仅煤岩交界面处存在较明显的裂隙，底板为砂质泥岩。在高地应力作用下，煤岩体具有较强的时间效应，存在明显的流变或蠕变；煤岩体的扩容现象突出，在大偏应力下煤岩体内部节理、裂隙、裂纹张开，出现新裂纹导致煤岩体积增大，扩容膨胀[6]。

根据井下实际情况，其巷道支护主要存在以下问题：（1）掘进期间，巷道成形较差，尤其是巷道帮部，易出现较大的片帮现象，影响巷道的稳定性；（2）为了便于施工，锚索与锚杆施工在同一排，锚索代替原位置的锚杆；（3）没有对锚杆索支护构件进行系统研究，高强锚杆及锚索体与构件之间的强度匹配较差；（4）不同类型巷道（二次动压巷道与一次动压巷道）采用的支护材料完全相同，没有进行有针对性的巷道围岩稳定性分析，进而选取合适的支护材料和支护强度；（5）巷道支护所选用的支护材料应于巷道所需的支护强度相匹配，避免支护材料强度过剩，增加支护成本。

2 锚杆支护方案设计

2.1 设计依据

(1)已掘巷道现有支护状况和矿压显现情况调查结果；

(2)30101工作面基本地质资料及钻孔资料；

(3)不同支护方案数值模拟分析结果；

(4)现有科技成果和工程实践经验。

根据以上设计原则和设计依据，初步考虑采用树脂加长锚固锚杆组合支护系统，并进行锚索补强。

2.2 支护方案设计

（1）顶板支护

顶锚杆：

锚杆形式和规格：杆体为22#左旋无纵筋500号螺纹钢筋，长度2.4m，杆尾螺纹为M24，螺纹长度150mm，配高强度螺母。

锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂，一支规格为MSCK2335，另一支规格为MSK2360。钻孔直径为30mm，锚固长度为1355mm。

托板：采用拱型高强度托盘，力学性能与锚杆匹配，钢号不低于Q235，规格为150×150×10mm，拱高不低于34mm，配调心球垫和减阻尼龙垫圈。

护板规格：采用W钢带，厚度3.0mm，规格5700×280mm。

锚杆角度：垂直巷道顶板。

网片规格：采用Φ6.0mm钢筋网护顶，网孔规格100×100mm，网片规格3000×1200mm，网间搭接100mm，相邻两块网之间要用双股16#铁丝连接，联网间距200mm。

锚杆布置：锚杆排距1100mm，每排6根锚杆，间距1300mm、950mm和1000mm。

锚杆预紧扭矩：锚杆搅拌完成后及时利用扭矩倍增器（或风动扳手）拧紧螺母，预紧扭矩不低于200N.m。

顶锚索：

锚索形式和规格：锚索材料为?21.8mm，1?19股预应力钢绞线，长度6.3m，树脂加长锚固，采用一支MSCK2335和两支MSK2360树脂锚固剂锚固，钻孔直径为28mm，锚固长度1938mm。

锚索托板：采用300mm×300mm×14mm高强度拱形可调心托板及配套锁具，锚索托板高度不低于60mm，厚度不小于14mm。

锚索布置：采用每排2根布置，排距2200mm，间距2000mm。锚索安装在两排顶锚杆中部。

锚索预紧力：锚索预紧力要达到200kN。

（2）巷帮支护

煤柱帮：

锚杆形式和规格：杆体为22#左旋无纵筋500号螺纹钢筋，长度2.4m，杆尾螺纹为M24，螺纹长度150mm，配高强度螺母。

锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂，一支规格为MSCK2335，一支规格为MSK2360。

托板：采用拱型高强度托盘，力学性能与锚杆匹配，钢号不低于Q235，规格为150×150×10mm，拱高不低于34mm，配调心球垫和减阻尼龙垫圈。

护板规格：采用W钢护板，规格450×280×3mm。

锚杆角度：锚杆垂直巷帮。

网片规格：采用金属网护帮，材料为8#铁丝，网孔规格50×50mm，网片规格4500×1300mm。用16#铅丝联接，网间搭接100mm，双丝双扣，孔孔相连。

锚杆布置：锚杆排距1100mm，每排5根锚杆，间距800mm。

锚杆预紧扭矩：利用扭矩倍增器（或风动扳手）拧紧螺母，不低于300N.m。

工作面侧帮：

锚杆形式和规格：杆体为22#左旋无纵筋500号螺纹钢筋，长度2.4m，杆尾螺纹为M24，螺纹长度150mm，配高强度螺母。

锚固方式：树脂加长锚固，采用两支锚固剂，一支规格为MSCK2335，一支规格为MSK2360。

托板：采用拱型高强度托盘，力学性能与锚杆匹配，钢号不低于Q235，规格为150×150×10mm，拱高不低于34mm，配调心球垫和减阻尼龙垫圈。

锚杆角度：锚杆垂直巷帮。