陳曉毅

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺頭前灣煤業(yè)有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

長期以來，我國以煤炭作為支撐國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要基礎(chǔ)能源，雖然國家大力推廣能源結(jié)構(gòu)向綠色發(fā)展，但短期內(nèi)煤炭的主體消費能源地位不會改變，煤炭資源的安全開采直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1-2]。我國煤炭多采用井工開采，需要掘進(jìn)大量的巷道，巷道圍巖穩(wěn)定是保證煤炭資源安全開采的重要因素。針對巷道圍巖控制理論和支護(hù)技術(shù)，專家技術(shù)學(xué)者進(jìn)行大量的理論研究與工程探索，目前形成了諸如懸吊理論、組合梁理論以及圍巖強度強化理論等控制理論，以及錨桿支護(hù)、型鋼支護(hù)等支護(hù)技術(shù)與手段。大量工程案例證明了錨桿支護(hù)技術(shù)的合理性，其具有施工速度快、支護(hù)效果好等優(yōu)點，目前已得到廣泛應(yīng)用，其中一些煤礦甚至實現(xiàn)了全覆蓋的應(yīng)用[3-5]。

1 概況

臺頭煤礦2S202-1綜采工作面位于運輸大巷以南，北為采空區(qū)，西、南為保安煤柱，東側(cè)為2S202工作面，如圖1。工作面開采區(qū)域地面標(biāo)高+1333～+1397 m，井下標(biāo)高+1163～+1189 m。工作面開采2#煤層，順槽長度332 m，埋藏深度189 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤厚2.8～3.38 m，平均為3.0 m，含0～2層夾矸。頂板主要為粉砂巖，局部為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚度為8.0 m，堅固性系數(shù)在12左右，屬于堅硬頂板巖層；底板多為泥巖，局部為粉砂巖。煤層傾角3°～8°，平均為5°。根據(jù)鉆孔揭露及地質(zhì)資料顯示，該工作面在掘進(jìn)期間運輸順槽、回風(fēng)順槽均無斷層和陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造。根據(jù)2S202-1回風(fēng)巷生產(chǎn)地質(zhì)條件和采掘設(shè)備布置的尺寸要求，設(shè)計2S202-1回風(fēng)巷為矩形斷面，沿煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度為4.5 m，掘進(jìn)高度為3.0 m。

圖1 2S202-1回風(fēng)巷采掘工程平面示意圖

2 堅硬頂板下全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)

2.1 全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)原理

預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)屬于主動支護(hù)方式，可主動改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，提高巷道圍巖力學(xué)特性，形成主動承載結(jié)構(gòu)，具有良好的支護(hù)效果。采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)時，錨桿可分為兩個區(qū)段，分別為自由段和錨固段。通過在自由段施加預(yù)緊力將預(yù)緊力形成預(yù)應(yīng)力傳遞至錨桿桿體，當(dāng)預(yù)應(yīng)力傳遞至錨桿錨固段，預(yù)應(yīng)力顯著衰減[6]。

全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)是采用不同凝膠時間的錨固劑（如慢速錨固劑和快速錨固劑），利用慢速錨固劑和快速錨固劑凝膠時間差，將預(yù)緊力充分傳遞至整個錨桿桿體，從而在錨桿桿體內(nèi)部形成全長預(yù)應(yīng)力。具體原理如下：安裝錨固劑時將快速錨固劑放置在內(nèi)，慢速錨固劑放置在外，快速錨固劑快速凝膠后形成速凝錨固段，慢速錨固劑快速凝膠后形成緩凝錨固段。慢速錨固劑為凝膠時，緩凝錨固段相當(dāng)于自由端，預(yù)緊力形成預(yù)應(yīng)力可充分傳遞至緩凝錨固段。預(yù)應(yīng)力主要包括錨桿軸應(yīng)力和剪應(yīng)力，錨桿軸應(yīng)力傳遞至速凝錨固段開始出現(xiàn)衰減，而由于凝膠時間差，錨桿剪應(yīng)力傳遞至速凝錨固段呈現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象[6]。

2.2 堅硬頂板下全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)

由于2S202-1回風(fēng)巷頂板賦存堅硬巖層，提出了堅硬頂板條件下全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)。該技術(shù)利用全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)原理，在巷道圍巖淺部形成全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時采用加長錨索將形成的全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)錨固至堅硬頂板巖層，充分發(fā)揮堅硬巖層自身的承載能力。具體支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)參數(shù)。頂板采用全長預(yù)應(yīng)力錨桿+錨索支護(hù)，每排布置6根錨桿、2根錨索。錨桿采用Φ20 mm、長度24 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm。錨固劑選用1支CK2350、1支K2370型號的樹脂錨固劑。CK2350型號的樹脂錨固劑放置在內(nèi)，K2370型號的樹脂錨固劑放置在外，利用慢速錨固劑和快速錨固劑凝膠時間差，將預(yù)緊力充分傳遞至整個錨桿桿體，在巷道圍巖淺部形成全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)。錨桿預(yù)緊力施加80 kN，錨桿配套規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盤及相互匹配的調(diào)心球墊、減摩墊圈。錨索采用直徑15.24 mm、長度6500 mm的鋼絞線錨索，間排距1600 mm×1600 mm。錨固劑選用2支CK2350、3支K2370型號的樹脂錨固劑，錨固方式同錨桿。錨索配套規(guī)格300 mm×300 mm×14 mm的蝶形托盤及相互匹配錨具。具體支護(hù)參數(shù)如圖2和圖3。

圖2 巷道支護(hù)斷面圖（mm）

（2）幫部支護(hù)參數(shù)。幫部采用全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，每排布置4根錨桿，錨桿采用規(guī)格為Φ16 mm×L1800 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，錨固劑選用1支CK2350、1支K2370型號的樹脂錨固劑，錨固方式同頂板錨桿，錨桿預(yù)緊力施加80 kN，錨桿配套規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盤及相互匹配的調(diào)心球墊、減摩墊圈。具體支護(hù)參數(shù)如圖4。

圖4 巷道幫部支護(hù)平面圖（mm）

3 圍巖控制效果分析

將開發(fā)的堅硬頂板下全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于2S202-1回風(fēng)巷，采用十字測試法監(jiān)測回風(fēng)巷在工作面采動影響下的圍巖變形情況。圖5、圖6分別給出了巷道幫部和頂?shù)滓平勘O(jiān)測結(jié)果。由圖可知，超前工作面距離越近，巷道變形速度越快。超前工作面45 m范圍內(nèi)，巷道受采動影響最為明顯，移近量及移近速度相對較大。試驗巷道在工作面采動過程中，巷道變形均較小，巷道幫部累計移近量92 mm，回采幫累計移近量68 mm，非回采側(cè)累計移近量24 mm，頂?shù)装謇塾嬕平?1 mm，頂板累計移近量26 mm，底板累計移近量15 mm。整體來說，2S202-1回風(fēng)巷的變形均可控，證明了堅硬頂板下全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)和參數(shù)的可行性。

圖5 巷道幫部移近量

圖6 巷道頂?shù)滓平?/p>

4 結(jié)論

該技術(shù)采用不同凝膠時間的錨固劑，利用錨固劑的凝膠時間差，將預(yù)緊力充分傳遞至整個錨桿桿體，從而形成全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)?；谂_頭煤礦2S202-1回風(fēng)巷頂板賦存堅硬巖層的工程背景采用了堅硬頂板下全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)，工作面采動過程中，巷道圍巖變形均較小，幫部累計移近量92 mm，頂?shù)装謇塾嬕平?1 mm，證明了堅硬頂板下全長預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)和參數(shù)的可行性。