坚硬顶板2S202-1回风巷全长预应力锚杆支护技术应用

陈晓毅

（山西乡宁焦煤集团台头前湾煤业有限公司，山西 乡宁 042100）

长期以来，我国以煤炭作为支撑国民经济快速发展的重要基础能源，虽然国家大力推广能源结构向绿色发展，但短期内煤炭的主体消费能源地位不会改变，煤炭资源的安全开采直接关系到国民经济的发展[1-2]。我国煤炭多采用井工开采，需要掘进大量的巷道，巷道围岩稳定是保证煤炭资源安全开采的重要因素。针对巷道围岩控制理论和支护技术，专家技术学者进行大量的理论研究与工程探索，目前形成了诸如悬吊理论、组合梁理论以及围岩强度强化理论等控制理论，以及锚杆支护、型钢支护等支护技术与手段。大量工程案例证明了锚杆支护技术的合理性，其具有施工速度快、支护效果好等优点，目前已得到广泛应用，其中一些煤矿甚至实现了全覆盖的应用[3-5]。

1 概况

台头煤矿2S202-1综采工作面位于运输大巷以南，北为采空区，西、南为保安煤柱，东侧为2S202工作面，如图1。工作面开采区域地面标高+1333～+1397 m，井下标高+1163～+1189 m。工作面开采2#煤层，顺槽长度332 m，埋藏深度189 m，煤层结构较简单，煤厚2.8～3.38 m，平均为3.0 m，含0～2层夹矸。顶板主要为粉砂岩，局部为泥岩或砂质泥岩，厚度为8.0 m，坚固性系数在12左右，属于坚硬顶板岩层；底板多为泥岩，局部为粉砂岩。煤层倾角3°～8°，平均为5°。根据钻孔揭露及地质资料显示，该工作面在掘进期间运输顺槽、回风顺槽均无断层和陷落柱等导水构造。根据2S202-1回风巷生产地质条件和采掘设备布置的尺寸要求，设计2S202-1回风巷为矩形断面，沿煤层顶板掘进，掘进宽度为4.5 m，掘进高度为3.0 m。

图1 2S202-1回风巷采掘工程平面示意图

2 坚硬顶板下全长预应力锚杆支护技术

2.1 全长预应力锚杆支护技术原理

预应力锚杆支护属于主动支护方式，可主动改善巷道围岩应力环境，提高巷道围岩力学特性，形成主动承载结构，具有良好的支护效果。采用预应力锚杆支护时，锚杆可分为两个区段，分别为自由段和锚固段。通过在自由段施加预紧力将预紧力形成预应力传递至锚杆杆体，当预应力传递至锚杆锚固段，预应力显著衰减[6]。

全长预应力锚杆支护技术是采用不同凝胶时间的锚固剂（如慢速锚固剂和快速锚固剂），利用慢速锚固剂和快速锚固剂凝胶时间差，将预紧力充分传递至整个锚杆杆体，从而在锚杆杆体内部形成全长预应力。具体原理如下：安装锚固剂时将快速锚固剂放置在内，慢速锚固剂放置在外，快速锚固剂快速凝胶后形成速凝锚固段，慢速锚固剂快速凝胶后形成缓凝锚固段。慢速锚固剂为凝胶时，缓凝锚固段相当于自由端，预紧力形成预应力可充分传递至缓凝锚固段。预应力主要包括锚杆轴应力和剪应力，锚杆轴应力传递至速凝锚固段开始出现衰减，而由于凝胶时间差，锚杆剪应力传递至速凝锚固段呈现先增加后减小的现象[6]。

2.2 坚硬顶板下全长预应力锚杆支护技术

由于2S202-1回风巷顶板赋存坚硬岩层，提出了坚硬顶板条件下全长预应力锚杆支护技术。该技术利用全长预应力锚杆支护技术原理，在巷道围岩浅部形成全长预应力锚杆支护结构，同时采用加长锚索将形成的全长预应力锚杆支护结构锚固至坚硬顶板岩层，充分发挥坚硬岩层自身的承载能力。具体支护参数如下：

（1）顶板支护参数。顶板采用全长预应力锚杆+锚索支护，每排布置6根锚杆、2根锚索。锚杆采用Φ20 mm、长度24 mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×800 mm。锚固剂选用1支CK2350、1支K2370型号的树脂锚固剂。CK2350型号的树脂锚固剂放置在内，K2370型号的树脂锚固剂放置在外，利用慢速锚固剂和快速锚固剂凝胶时间差，将预紧力充分传递至整个锚杆杆体，在巷道围岩浅部形成全长预应力锚杆支护结构。锚杆预紧力施加80 kN，锚杆配套规格150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盘及相互匹配的调心球垫、减摩垫圈。锚索采用直径15.24 mm、长度6500 mm的钢绞线锚索，间排距1600 mm×1600 mm。锚固剂选用2支CK2350、3支K2370型号的树脂锚固剂，锚固方式同锚杆。锚索配套规格300 mm×300 mm×14 mm的蝶形托盘及相互匹配锚具。具体支护参数如图2和图3。

图2 巷道支护断面图（mm）

（2）帮部支护参数。帮部采用全长预应力锚杆支护，每排布置4根锚杆，锚杆采用规格为Φ16 mm×L1800 mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，锚固剂选用1支CK2350、1支K2370型号的树脂锚固剂，锚固方式同顶板锚杆，锚杆预紧力施加80 kN，锚杆配套规格为150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盘及相互匹配的调心球垫、减摩垫圈。具体支护参数如图4。

图4 巷道帮部支护平面图（mm）

3 围岩控制效果分析

将开发的坚硬顶板下全长预应力锚杆支护技术应用于2S202-1回风巷，采用十字测试法监测回风巷在工作面采动影响下的围岩变形情况。图5、图6分别给出了巷道帮部和顶底移近量监测结果。由图可知，超前工作面距离越近，巷道变形速度越快。超前工作面45 m范围内，巷道受采动影响最为明显，移近量及移近速度相对较大。试验巷道在工作面采动过程中，巷道变形均较小，巷道帮部累计移近量92 mm，回采帮累计移近量68 mm，非回采侧累计移近量24 mm，顶底板累计移近量41 mm，顶板累计移近量26 mm，底板累计移近量15 mm。整体来说，2S202-1回风巷的变形均可控，证明了坚硬顶板下全长预应力锚杆支护技术和参数的可行性。

图5 巷道帮部移近量

图6 巷道顶底移近量

4 结论

该技术采用不同凝胶时间的锚固剂，利用锚固剂的凝胶时间差，将预紧力充分传递至整个锚杆杆体，从而形成全长预应力锚杆支护结构。基于台头煤矿2S202-1回风巷顶板赋存坚硬岩层的工程背景采用了坚硬顶板下全长预应力锚杆支护技术，工作面采动过程中，巷道围岩变形均较小，帮部累计移近量92 mm，顶底板累计移近量41 mm，证明了坚硬顶板下全长预应力锚杆支护技术和参数的可行性。