高强预应力锚杆支护技术在深井巷道中的应用

高长富 石建华 鸡西矿业集团公司东海煤矿

0、前 言

支护技术是煤矿生产的基础工程，寻求一种技术先进、安全可靠、适合本矿井生产地质条件的巷道支护方式，是提高矿井安全可靠度，提高经济效益，实现可持续发展的基础保证。

东海煤矿是一个有近50年开采史的老矿井，设计能力90万吨，2003年达120万吨，现有2个生产采区，五采区、六采区，生产水平在-450米以下，采深均达700米以上，最深达947米，为典型的深井开采矿井。煤层围岩复杂、稳定性差、深部断层构造多、矿压显现特点为原岩应力大、变形量大、变形速度快、波及范围广、呈工程软岩特性，巷道支护困难，传统的单一锚杆支护和刚性棚式等支护方式不能保证巷道的稳定性，支护改革成为关系矿井安全生产和发展亟待解决的课题。

2002年末，我们引进了高强预应力锚杆支护成套技术，通过2年的应用实践，取得显著成效。

1、高强度预应力锚杆支护成套技术

高强度预应力锚杆支护技术是以左旋无纵筋预应力螺纹钢锚杆为主体，钢带（W、M或梯型）、金属网（菱形），小孔径高强度预应力锚索，采用一种或多种组合形成的组合支护方式，它采用专用高效锚杆钻机及快速安装螺母实现钻锚一体化。能实现及时主动支护，具有高强度、高预紧力、高可靠性。是一种先进、安全、高效的支护手段。

1.1支护的理论依据及机理

（1）支护的理论依据及设计方法

锚杆支护理论很多，主要有悬吊理论，“刚性”组合梁理论；加固拱理论；围岩松动圈理论；主要承载圈及次生承载圈理论；扩容一稳定理论等。但在实际锚杆支护设计中，多以某种理论为基础，然后通过工程类比和实际施工与监测后进行修改、补充，找到一种适合某一煤层或巷道的支护方式。做到经济、安全、快速、高效。

设计理论计算方法一般煤巷采用悬吊或“刚性”组合梁理论，岩巷多采用加固拱及围岩松动圈理论。

（2）支护作用机理

a锚杆支护是以维护和利用围岩自承承载能力

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为基点，主动快速对围岩进行支护，控制围岩的松驰变形，使围岩成为支护体的组成部分，通过锚入围岩内部的杆体与围岩相互作用，通过其高预紧力，改变巷道围岩的力学状态，在巷道周围形成一个整体而又稳定的承载层（环），使荷载变为承载体，形成围岩，锚杆整体承载结构，达到维护巷道目的。

b钢带将各根单独作用的锚杆连在一起，使锚杆单独作用时产生的集中载荷变为均布载荷，使锚杆同步承载，有利于提高围岩自承能力。

c钢带和金属网使用，增大了锚杆和托板与围岩层的接触面积，对锚杆间围岩体施以约束，有效控制锚杆间区域围岩的破坏脱落，减缓阻止巷道围岩进一步扩容离层，提高了巷道围岩稳定性，同时钢带对形成的组合梁（拱）又增加了一个高强度梁（拱），对其上覆岩层起到有力加固作用，保证围岩整体稳定，避免锚杆失效，以形成有效的组合支护体系。

d锚索以它的大锚深高预紧力，除具有锚杆支护作用外，还具有对顶板（围岩）进行深部锚固而产生的强力悬吊作用，并沿巷道纵轴线形成连续强支撑点，以大预应力减缓围岩扩容变形。锚索把已组合的围岩和潜在冒落变形范围内的岩层同深部稳定岩层区域联结起来，使相邻的锚杆、锚索作用相互叠加组合生成一个岩梁（拱），这个岩梁（拱）厚度成倍增加，使压力扩散到岩体深部，有利围岩完整，使破坏变形得到有效控制。

由上述可知，此锚杆支护技术是一种主动支护体，由于锚杆具有一定的延伸性，允许围岩适度变形，具有让压增阻、增阻快，阻力高的特性，是一种高强度柔性支护方式，能适应深井、高地压，围岩变形力学特性，能最大限度与围岩共同作用，控制围岩破坏，保证巷道稳定，它能够依据巷道围岩特性、条件、巷道用途、使用要求，采取单一或多种方式组合的支护方式对巷道进行支护，满足安全生产需要。

2、试验应用情况

东海煤矿现开采煤层为五采区23#层、32#层、35#，六采区32#、34上层、34#层。均属深井高地

压煤层，围岩强度低，稳定性差，特别是六采区32#层为特厚复合顶板，支护特别困难，我们在初期引进高强预应力锚杆支护技术时，首先在此煤层中进行了试验。

2.1 试验巷道地质状况及工程概况

六采区32#层煤层厚度1.7-2.1米，泥页岩，炭质粉沙岩、薄煤、泥岩互层、厚度2.5-5.0米，F=2-3，层理、节理发育，松软易碎，强度低，典型复合顶板，煤层柱状见图1，

32层煤层柱状

规格3000×280×35×275（MM），10#镀锌铁线，规格3200*1000（MM）。支护设计布置见图2，

图 2

采用MQT锚杆钻机打眼和快速扭矩安装螺母实现锚杆安装。

2.3试验效果分析

右三平巷施工480米，切上220米，在施工及回采过程中，巷道变形量较小，支护状态较好，基本无维修量，满足安全生产需要，说明此支护方式和支护参数设计合理可靠，适合特厚复合顶板条件。通过实际测算，采用锚带网支护比钢梁棚可节省费用265元/米。

3、推广应用情况及效果

在特厚复合顶板获得成功后，我们根据不同围岩状况，不同巷道类别、使用要求，通过参阅有关资料，现场实地调查，不断探索实践基础上，将此项技术在我矿各类巷道中加以推广应用。通过2年多的实践应用，取得较好的效果，并积累了一些经验，形成了一套适合我矿各类不同巷道的锚杆支护方式。

3.1小煤柱顶压掘巷中的应用

在小煤柱顶压掘巷中，巷道将受多次采动压力影响。压力显现剧烈速度快，应力叠加对巷道作用次数多、时间长，巷道难保持稳定，所需支护强度

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图 1

原采用普通锚杆支护，维护不住顶板，巷道冒顶时有发生，后改用钢梁棚支护，棚子损坏严重，巷道变形量大达50%以上，且经常发生冒顶事故，复修率高。严重制约安全生产，在施工左三路平巷时，采用了新型锚带网组合支护方式。

左三平巷，标高-530米，埋深760米，巷道沿煤层顶板掘进，断面形状为直角梯形，规格净宽3.2米，中高2.4米。

2.2支护方案及参数选择

依据“刚性”组合梁理论和巷道围岩特性，选择以高强度预应力锚杆加W型钢带，菱形金属网联合支护方式。

锚杆：20MnSi米左旋无纵筋螺纹钢，ф18MM，长度220MM，CK2335树脂锚固剂2卷，锚固长度700MM，设计锚固力90KN，预紧力60KN，矩形布置4根，株排距900*800（MM）碟型金属托盘，规格120*120*8（MM）菱形金属网，W型钢带，

要求高，支护体应适应围岩应力变形特性，并能有效控制其变形破坏。故在六采32#层左二路付巷和左三路付巷小煤柱顶压掘巷施工中，采用锚带网十锚索联合支护方式，为保证小煤柱的稳定性，对上帮采用锚带网支护，支护设计见图3，锚杆长度2.2米，ф18MM，采用矩形布置，顶板5根，间排距0.8×0.7（M）帮4根，间排距0.8×0.8M，巷道顶板间隔3.0M安装2根5.5米长锚索补强。其左二付巷施工600M，左三付巷施工700M，通过施工和回采使用，巷道基本稳定，变形量较小，使用中无大修复量，保证了安全使用，此项技术成功应用，创效达200万元以上。

度确保巷道围岩稳定性。一般采用锚带联合支护，待回采时，超前工作面40-60米，打锚网+锚索补强加固顶板，并对下帮巷壁加锚带网支护，上帮采用水泥沙浆码石墙支护，并沿石墙间隔1.2米打金属摩擦柱加强支护，支护方式见图4，共留巷4条计2800米，巷道状态较稳定，变形量较小，经适当维修后，满足生产需要，保证了采煤队接续，降低了掘进率，增加了煤炭回收率，与小煤柱沿空掘巷比节约巷道施工费用30多万元，多回收煤炭2.2万吨，创效1万元。

图 3

3.2在沿空留巷中的应用

深井巷道由于压力大，采动影响剧烈波及范围广，不利于沿空留巷。传统棚式支护留巷方法，因巷道变形量大，破坏严重，无法保证使用，故我矿多年来采用沿空留巷方法，而采用小煤柱沿空掘巷，成本高、工期长、接续困难、浪费资源。2003年以来，我们采用先进的锚带网加锚索联合支护方法，应用于沿空留巷，在五采区32层左七路、左八路、右七路，六采区34上左一路留巷中均获得成功。具体作法是在巷道掘进施工时。加大支护强

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图 4

3.3在大断面巷道、硐室、车场交岔点和断层破碎带中应用

由于大断面巷道、硐室、车场三岔点等巷道跨度大，冒落拱高，支护体承受的荷载大，支护困难，根据其特点巷道断面采用拱形断面，支护多采用、锚带+喷混凝土支护，对围岩条件复杂破碎，埋深大，受动压影响的采用锚带网+锚索+喷混凝土支护，其锚杆长度选2.0以上间排距不大于800*800MM。其应用地点：五采三段大倾角皮带道断面13.0平方米，，大倾角皮带机硐室跨度7.4米，五采32层段绞车道、风道巷道均在12.5平方米以上，车场三岔点跨度均在8米以上，五采区32左

九车场等。在五采32层左八、左九平巷和六采32左三、右四平巷过断层采用锚带网支护也获得成功，取代了棚式支护。

3.4在修复巷道中的应用

我矿由于采深大、地压高，采动压力波及范围大、剧烈，加之原有施工巷道支护强度低，其巷道破坏严重、状态差，巷道修复量大。原巷道维修支护方式多采用架金属棚，砌墙上钢梁等支护方式，因其施工困难、工程量大、工期长、费用高、影响生产时间长，且上述支护属被动支护方式，支护体不能与围岩共同作用形成共同支护体，在高荷载和强采动压力影响下，支护易破坏、不可靠、支护失效，不能保证安全生产（如五采三、四段联络车场采用砌墙上钢梁修复二次均被压跨）。通过采用锚带网或锚带网加锚索等联合支护方式在修复巷道中的应用，获得了较好的支护效果，它具有施工简单灵活、影响生产小，支护强度高，能有效控制顶板离层和围岩进一步破坏，能与巷道围岩形成组合加固拱提高支护效果，保证巷道稳定，满足安全生产需要，如六采区32#绞车道200米，采用锚杆、梯形钢带，金属网联合支护，锚杆长度1.8米，1000*1000MM顶帮同时支护。五采区三段绞车道100米，联络车场石门140米，32绞车道、风道等分别采用锚带加锚索，锚带网加锚索支护也获得较好的效果，此方法与金属棚或砌旋等方法比较，可节省费用50%，并可减轻工人的劳动强度，提高速度。 通过在特殊复杂围岩条件下应用成功，我们现已在各类巷道中推广应用，形成了由单一新型锚杆及多种组合支护的新型成套锚杆支护技术。

4、应用中存在的问题及改进措施和建议 4.1存在的问题

⑴、锚杆支护设计采用工程类比法和简单的经验公式计算，由于对客观地质条件掌握不清，考虑因素不全面，获取的支护参数不尽合理，难以保证锚杆支护效果及安全可靠性。

⑵、由于采用国产锚杆机扭矩较小，一般在100NM，了锚杆预紧力，使锚杆无法达到足够的预紧力，降低了锚杆的支护效果。

⑶、由于施工管理水平差异，技术素质和责任

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心差，施工操作不规范，使锚杆支护设计的安全系数降低，影响支护效果。

⑷、巷道成形质量差，特别是修复巷道时，巷壁不齐，围岩节理发育，破碎离层严重，钻眼及安装锚杆困难、质量差、托板钢带不密贴岩面，造成支护失效，降低整体支护质量。

⑸、对支护理论及机理认识不足，不能发挥锚杆支护多种作用机理的优越性，特别是对巷帮支护重视不够，降低了锚杆支护的整体性、可靠性。 ⑹、监测手段落后，不完善，不能准确监测锚杆的支护效果。对其存在的问题隐患不能及时发现，威胁安全。

4.2改进措施及建议

⑴、引进先进的仪器、设备、技术手段，对锚杆支护巷道围岩地质条件进行探查分类，对顶板离层与锚杆受力进行监测监控，为合理选择锚杆支护参数及优化支护设计提供可靠依据，保证支护合理、经济可靠。

⑵、加强技术培训，提高管理水平和施工操作水平，严格按设计、工艺要求及技术措施作业，保证支护及时、初锚力、锚固力达到规定。 ⑶、高强预应力锚杆支护效果关键在于其高预紧力。针对锚杆钻机扭矩小，预紧力低的问题，采用力矩板手人工加大预紧力，保证符合规定，应研制引进螺母减摩垫圈减少磨擦力，提高预紧力，建议引进高性能大功率锚杆钻机。

⑷、加强光爆质量，保证巷道成形质量，对局部不平处采取人工找平措施，确保锚杆、托板、钢带网密贴岩面，对局部不密贴部位，必须用刚性材料楔紧。

⑸、加强对巷帮支护的认识，对复杂围岩条件，高应力巷道采用顶支护到边，帮支护到底的全封闭支护措施，确保巷道支护整体稳定性，达到高强度，高可靠性。

⑹、积极实践，认识探讨或引进巷道支护的新技术、新工艺，如锚注技术，为破碎围岩及修复巷道提供可靠的支护方式，确保支护质量。

⑺、研制开发锚杆支护的系列配套产品，支护体各部件的强度要匹配，材料符合标准。 ⑻、加强和提高喷浆（混凝土）工艺及要求，确保喷浆质量，提高支护体的整体质量。 结论：

新型高强度预应力锚杆支护成套技术在我矿深井复杂围岩条件下成功应用，解决了我矿巷道支护困难的难题，改善了巷道支护状况，提高了巷道安全度，为安全生产，提高矿井经济效益，打下了坚实基础。此项技术的推广应用、年可节资创效600万元。

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