2-105工作面进风巷高预应力锚杆支护技术研究与应用.pdf

432020 年第 6 期 2-105 工作面进风巷 高预应力锚杆支护技术研究与应用 席建立 （山西霍宝干河煤矿有限公司，山西 洪洞 041600） 摘 要 为保障干河煤矿 2-105 工作面进风巷复合顶板围岩的稳定，采用现场试验与数值模拟具体分析锚杆（索）预紧 力对复合顶板的控制效果，进行高预应力锚杆支护方案设计。掘进期间顶板下沉及两帮移近量的最大值分别为 57mm 和 64mm，保障了巷道围岩的稳定。 关键词 综采 复合 巷道 支护 中图分类号 TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.06.016 Research and Application of High Pre-stress Bolt Support Technology in the 2-105 Face Inlet Air Roadway Xi Jian-li （Shanxi Huobao Ganhe Coal Mine Co., Ltd., Shanxi Hongtong 041600） Abstract In order to ensure the stability of the surrounding rock of the compound roof of the air intake roadway in the 2-105 working face of Ganhe Coal Mine, the control effect of the bolt cable pretension on the compound roof is analyzed by field test and numerical simulation, and the high prestressed bolt support scheme is designed. The maximum values of roof subsidence and two side displacement are 57mm and 64mm respectively, which ensure the stability of surrounding rock. Key words fully mechanized mining composite roadway support 收稿日期 2019-12-31 作者简介 席建立（1986-），男，山西代县人，2010 年 7 月毕 业于山西大同大学煤炭工程学院煤矿开采专业，助理工程师，现 从事煤炭行业方面的工作。 1 工程概况 山西焦煤集团霍宝干河煤矿 2-105 工作面位于 2煤层一采区左翼，工作面西北侧为 F13 断层，西 南侧为一采区三条大巷，东北侧为小河村保安煤柱 边界，东南侧为下张端断层。2煤层均厚为 4.2m， 平均倾角为 6，煤层顶板岩层为砂质泥岩和中粒 砂岩，底板为砂质泥岩和中粒砂岩，具体顶底板岩 层特征如表 1 所示。 2-1052 巷道为 2-105 工作面的进风巷，巷道沿 2煤层顶板掘进，巷道的掘进宽度为 4.7m，掘进高 度为 3.5m。由于巷道直接顶岩层砂质泥岩中存在着 一定的煤线，且直接顶岩层多由砂质泥岩和泥岩的 互层组成，节理裂隙较为发育，属于复合顶板，另 外煤层较为松软，为保障 2-1052 巷道围岩的稳定， 防止岩层离层现象出现，拟采用高预应力锚杆支护 技术。 表 1 2煤层顶底板岩层特征表 岩层名称 岩石名称厚度 /m岩性特征 基本顶 中粒砂岩 （K8） 1.7 深灰色，以石英为主，长石 次之，含云母碎片及煤纹。 直接顶 砂质泥岩 / 泥岩 6.4 黑灰色，断口平坦，含少量 煤屑，夹细粒砂岩条带。 直接底砂质泥岩1.1 黑灰色，断口平坦，顶部含 较丰富的植物根化石碎片。 基本底 中粒砂岩 （K7） 10.6 灰白色，石英为主，含少量 暗色矿物，次圆状，分选中 等，下部含泥质包裹体。 2 高预应力锚杆支护分析 2.1 锚杆预紧力控制顶板离层效果试验 为有效分析锚杆预紧力对控制顶板离层的效 果，根据 2-105 工作面的具体地质条件，结合巷道 自然平衡拱高度，选择在 2-1052 巷道开口 200m 的 范围内对锚杆预紧力控制顶板离层的效果进行监测 442020 年第 6 期 分析。在巷道走向方向上每间隔 50m 设置一个离层 仪作为观测点，离层仪布置在锚杆锚固范围中心的 位置处 [1-3]，设置锚杆预紧力 20kN、40kN、60kN 和 80kN 四个等级，分别观测不同预紧力区域离层 仪的变化情况，具体观测结果如图 1 所示。 （a）浅部围岩 （b）深部围岩 图 1 不同预紧力条件下浅部和深部岩层变化情况 通过分析图 1 可知，随着锚杆预紧力的增大， 浅部围岩的离层量出现明显减小的趋势。锚杆预紧 力从 20kN 增大到 80kN 时，浅部岩层的离层量从 66mm 减小到 2mm，且浅部岩层的离层量基本与锚 杆的预紧力呈现出反比例的关系。基于此可知，针 对复合顶板巷道其锚杆的预紧力能够有效地控制其 浅部岩层的离层量，在进行巷道支护设计时，可通 过增大锚杆预紧力的方式提高顶板的支护强度和控 制效果。随着锚杆预紧力的增大，深部岩层之间的 离层值变化较小，基本均在 4549mm 范围内，这 表明深部围岩受到锚杆预紧力的控制效果较小，锚 杆预紧力对其锚固范围以外的岩体控制效果弱，深 部岩层的稳定性主要受到自身物理力学性质和稳定 性的影响。 2.2 锚索预紧力对顶板支护效果影响 根据上节分析可知，锚杆预紧力能够有效控制 复合顶板巷道浅部岩层间的离层现象。为充分分析 锚杆预紧力对顶板支护效果的具体影响，根据 2-105 工作面的具体情况，进行不同锚索预紧力条件下顶 板支护效果的分析。设置锚索预紧力分别为 60kN、 70kN、80kN、90kN、100kN 和 110kN 预紧力下岩 层控制效果，根据数值模拟得出不同预紧力下顶板 垂直方向上位移的变化曲线如图 2 所示。 通过分析图 2 可知，随着锚索预紧力的增大， 2-105 工作面进风巷顶板的垂直位移总体呈现为逐 渐减小的趋势。在锚索预紧力为 60kN、80kN、 90kN 和 110kN 时，复合顶板的最大下沉量分别 为 119.57mm、106.48mm、98.15mm 和 81.24mm。 通过具体分析上述数据可知，当顶板锚索预紧力 每增大 10kN 时，复合顶板的最大下沉量平均降低 7.67mm。 基于此可知， 随着锚索预紧力的逐渐增大， 复合顶板的下沉量逐渐降低，故在锚索的允许应力 范围内，应尽可能地增大锚索的预紧力，进一步控 制顶板浅部岩层和深部岩层的变形，保障巷道复合 顶板的稳定。 图 2 不同预紧力条件下顶板垂直位移量分布图 3 支护方案及效果 3.1 支护设计 根据 2-105 工作面顶底板岩层的具体特征，结 合锚杆预紧力和锚索预紧力分析结果，进行高预应 力锚杆支护技术的设计，具体参数如下 （1） 顶板支护。 锚杆采用左旋无纵筋高强锚杆， 规格为 Φ18mm2600mm，每排布置 6 根，间排距 为 800mm1000mm，两顶角锚杆与顶板成 75布 置，其余锚杆垂直于巷道顶板布置。托盘采用规格 为 150mm150mm10mm 的钢板托盘，采用端头 锚固，锚固长度为 1093mm。基于上述锚杆预紧力 的分析，设置锚杆预紧力矩为 300Nm，转化为预 紧力即为 6080kN[4-5]。锚索采用 17 股预应力钢 绞线，规格为 Φ15.24mm8300mm，每排布置 2 根锚索，间排距为 1600mm1000mm，顶角锚索与 顶板成 75布置，中部锚索垂直顶板布置。锚索采 用加长锚固，理论锚固长度为 1150mm。锚索预紧 力初始张拉预紧力为 80120kN。另外采用长度为 4.5m、规格为 4700mm75mm12mm 的钢带将锚 杆索连接为一个整体，挂设 Φ4mm 的钢筋经纬网 进行护顶。 （2）帮部支护。锚杆采用 Q235 圆钢锚杆， 规格为 Φ16mm2200mm，帮部靠近顶板的锚 杆与帮部成 25安设，其余均垂直于巷帮安设， 间排距为 1000mm1000mm。托盘采用规格为 150mm150mm10mm 的高强度的平托盘，锚杆 采用加长锚固，理论锚杆长度 950mm，设置预紧力 452020 年第 6 期 矩为 200Nm，转化为预紧力即为 30kN。帮部同样 采用钢带将锚杆连接为一个整体，并挂设 11铁丝 网进行护帮。 具体 2-1052 巷道高预应力锚杆的支护方式如图 3 所示。 （a） 锚杆支护断面图 （b）锚索支护断面图 图 3 2-1052 巷道高预应力锚杆支护方式断面图 3.2 支护效果分析 为验证分析 2-1052 巷道采用高预应力锚杆支护 技术的围岩控制效果，在巷道掘进期间，在距离巷 道掘进头 10m 的位置处布置表面位移监测站，进行 围岩变形的长期观测作业。根据观测结果能够得出 表面位移情况如图 4 所示。 通过分析图 4 可知，在巷道掘进期间，随巷道 掘出时间的增大，顶板下沉量和两帮变形量均呈现 出逐渐增大的趋势。其中顶板下沉量及两帮移近量 的变形均主要出现在巷道掘进后的 05d 内。在巷 道掘出后 5d 时，顶板下沉量和两帮移近量分别为 51mm 和 54mm。顶板下沉速率的最大值在巷道掘 出 3d 后出现，其值为 13mm/d，两帮变形速率的最 大值同样在巷道掘出后的 3d 出现，约为 13mm/d。 在巷道掘出 5d 后，顶板及两帮的变形量逐渐趋于 稳定，直至巷道掘出 10d 后，顶板的下沉速度变为 0，两帮的变形速率也降为 0，最终顶板下沉量及两 帮变形量的最大值分别为 57mm 和 64mm。 （a）顶板变形量 （b）两帮变形量 图 4 巷道掘进期间围岩变形量 4 结论 根据 2-105 工作面进风巷顶底板岩层特征的情 况，通过锚杆预紧力控制顶板离层效果试验，分析 了不同锚杆预紧力对顶板离层的控制效果，得出了 锚杆预紧力能够对浅部岩层进行有效控制。通过分 析不同锚索预紧力对顶板变形量的控制效果，结合 巷道特征进行支护方案设计，根据巷道掘进期间表 面位移监测结果，巷道顶板下沉量及两帮移近量的 最大值分别为 57mm 和 64mm，保障了巷道围岩的 稳定。 【参考文献】 ［1］ 康红普 . 煤矿预应力锚杆支护技术的发展与应用 [J]. 煤矿开采，2011，16（03）25-30131. ［2］ 陈光林 . 复合顶板煤巷失稳机理及预应力控制研 究 [D]. 西安科技大学，2018. ［3］ 王晓卿，康红普，赵科，等 . 黏结刚度对预应力 锚杆支护效用的数值分析 [J]. 煤炭学报，2016， 41（12）2999-3007. ［4］ 郭涛，李鹏飞，骆凡 . 煤矿巷道预应力锚杆支护 技术研究 [J]. 煤炭技术，2016，35（07）41-42. ［5］ 刘家成，赵玉成，何东旭，等 . 全长锚固预应力 锚杆支护对巷道围岩应力影响规律研究 [J]. 煤炭 技术，2015，34（09）65-67.