B050202 大倾角、高地压、“三软” 煤层巷道的新型预应力锚杆支护技术.doc

大倾角、高地压“三软” 煤层巷道的
新型预拉力锚杆支护技术
张连福1 邢新会1 周学宾2
【1-淮北矿业（集团）公司桃园煤矿 2-中国矿业大学】
摘 要 桃园煤矿72#煤层属大倾角、高地压的“三软” 煤层，煤巷围岩变形量大，维护量大，支护十分困难，难以满足安全生产的要求。采用新型高强度预应力锚杆支护技术后，基本满足了生产需要。
关键词 大倾角、高地压 “三软”煤层 预应力锚杆支护
1 概 况
桃园煤矿7241工作面位于北四采区左翼，属一阶段72#煤的第一个工作面。开采深度为335～390m，煤厚1.2～2.4m，局部中间含0.2～0.4m泥质夹矸。煤层倾角平均为30°，煤的坚固性系数f值为0.5～1，煤层自稳定性能差。
72#煤层直接顶为厚层浅灰色泥岩，含砂质成分，厚2.22m。直接顶整体较好，但局部富含草帽顶。顶板淋水大，泥岩遇水膨胀。老顶为中粒砂岩，厚1.4～5.0m，平均3.2m，灰白色，岩性较硬，但裂隙发育。往上为2.05m厚的灰黑色粉砂岩或泥岩。再往上为厚0.8m的71#煤，黑色，粉状，煤质较好。直接底为3.12m厚的灰色泥岩，遇水易膨胀，浸水后变稀泥。由于顶、底板岩层均含有裂隙，水导致泥岩膨胀变形，且随暴露时间的延长强度逐渐降低。所以72#煤层是典型的大倾角、高地压的“三软”煤层。
7241工作面回风巷沿顶板掘进，宽3.2m、高（巷中）2.2m。原来巷道采用传统的工字钢梯形棚支护，梁腿长均为2.4m，棚距0.6m。由于巷道压力大，支架很快变形，两帮移近量高达1.5m、顶底板移近量高达0.8m，被迫前掘后修。由此造成巷道修复工程量非常大，严重威胁安全生产，影响工作面正常接替。而传统的锚杆支护也不能适应桃园矿高地压、大变形的复杂地质条件。我们成功采用了高强预拉力锚杆支护技术，对于桃园矿的安全生产具有重要的现实意义。
2 高强预拉力锚杆支护体系的特点
2.1 高强预拉力锚杆
这种锚杆的杆体采用20MnSiⅡ左旋无纵筋专用螺纹钢，其屈服强度大于340MPa。锚杆安装时要求树脂锚固剂搅拌后必须充填密实，才能使树脂对锚杆杆体的握裹力孔壁与树脂的粘结力达到最大，由此产生非常大的锚固力。
应采用表面结构为左旋无纵筋的专用螺纹钢，注意优化横肋高度、角度、厚度及间距等参数，以保证搅拌阻力低、粘接性能好。
采用内销钉式扭矩螺母。它的扭矩非常稳定。销钉为铁丝材料，比杆体材料软，销钉被切断后不伤丝扣，不增加螺母与杆体之间的摩擦阻力。再者，它的加工简单，配合凹形球垫和塑料减摩垫圈，使用效果良好。
2.2 M型钢带及其配套托盘
W型钢带和平钢带厚度较薄，抗撕裂性能差，尤其在高压力作用下，锚杆托盘边缘非常容易压入钢带，造成钢带剪切破坏，进而导致钢带撕裂。因此我们采用了M4型钢带。
为M4型钢带设计的专用托盘，保证了托盘与钢带之间更加紧密贴合，提高了托盘与钢带之间的摩擦力，减少了当顶板来压时托盘和钢带之间错动而对锚杆产生的剪切破坏，使钢带、托盘、锚杆三者成为一个更加统一的整体。
2.3 提高锚杆预拉力的措施
高强预拉力支护体系通过一定的手段提高了锚杆预拉力，增强锚固效果。锚杆预拉力是锚杆支护系统中非常关键的参数之一。锚杆的预拉力主要通过拧紧螺母获得，影响锚杆预拉力的因素主要有两个：其一是拧紧力矩M，M越大就越能实现较高的预拉力，这主要取决于安装机具的输出力矩；其二是螺母与托盘之间的摩擦力f，f越大，克服f需消耗的M越多，锚杆预拉力也就越低。因此，通过采用以下手段可以使该种锚杆很容易地获得较高的预拉力，提高锚固效果。
①提高安装机具的拧紧力矩M
安装机具输出拧紧力矩的大小是决定锚杆预应力高低的关键。现在我国锚杆钻孔和安装普遍采用单体锚杆钻机，输出扭矩难以满足提高预拉力的要求。国内也有通过采用高扭矩的冲击式风扳机来达到提高预拉力的目的。我们采用的是国内比较先进的MQT-100C型液压锚杆专用机组，一泵两机，输出扭矩为100N·m。
②采取减摩措施，降低摩擦阻力f
施加预拉力到一定值后，螺母与托盘之间的摩擦阻力已经非常大，使锚杆钻机的扭矩大部分消耗在克服摩擦力上，无法化为杆体上的预拉力。要满足设计预拉力要求，必须在螺母与托盘之间加一个金属垫圈和一个塑料垫圈，可以极大降低摩擦阻力，达到“润滑”目的。锚杆预拉力F与扭矩M的关系曲线见图1

图1 f—M关系曲线
3 支护参数设计
采用数据模仿方法确定7241工作面回风巷的支护参数。
巷道顶板采用5根高强预拉力锚杆配合M4型钢带（长3400mm）和菱形金属网支护。锚杆直径为20mm、长2200mm，间排距为800×800（mm）。每根锚杆用二卷Z2360型中速树脂锚固剂卷加长锚固，锚固段长1200mm。
巷道上帮采用5根高强预拉力锚杆配合П2型轻型钢带和金属网支护。锚杆规格和锚固方式同顶板锚杆一样，间排距为600×800（mm）。
巷道下帮采用3根高强预拉力锚杆配合П2型轻型钢带和金属网支护。锚杆直径为18mm、长1800mm，间排距为800×800（mm）。每根锚杆用二卷Z2360型中速树脂锚固剂卷加长锚固。
顶板锚杆设计扭矩为100N·m，帮锚杆设计扭矩为60N·m。
巷道每隔3.2m采用长4.3m的锚索加强支护，每根锚索用三卷Z2360型中速树脂锚固剂卷锚固。

1-锚杆 ；2-钢带 ；3-锚索
图2 巷道支护平剖面示意图
4 支护效果
在7241工作面回风巷掘进期间对围岩表面变形、锚杆受力等进行了观测。观测数据经过整理后绘制出关系曲线见图3。3个月的观测结果表明，顶底板累计移近量最大为495mm、最小为380mm，其中顶板下沉量最大为210mm、最小为160mm。两帮移近量大于顶底板移近量。两帮累计移近量最大达到645mm，最大变形一般在掘后9～12天内。底臌量最大为285mm、最小为220mm。
顶板中部锚杆荷载一般大于100kN，上帮锚杆荷载一般为50～60kN，下帮锚杆荷载一般为45～50kN，基本满足了生产的需要，支护效果好。

图3 巷道围岩位移量及位移速度曲线
5 几点体会
①实践证明，桃园煤矿大倾角、高地压“三软” 煤层采用新型预拉力锚杆支护在技术上是可行的，基本上满足了安全和生产的需要。虽然掘进速度和架棚支护时的相比相差不大，但用架棚支护巷道从掘进到回采要维修多次，维修的工程量和难度都非常大，集中表现为安全性能差，容易造成安全事故。而采用高强预拉力锚杆则相对减小了维护的工程量和难度，还减轻了工人劳动强度，安全环境得以改善。
②通过对运输、回风二巷道支护效果的观察发现，局部围岩破碎、淋水及顶板岩石风化等强度较低的巷道出现变形量大，上帮底部锚杆断裂，上帮整体位移。这说明在这些更加复杂的围岩条件下支护还需要进一步优化、改进。一方面应更进一步增强整体支护强度（特别是高度较大的上帮），另一方面要积极创造有利于卸压的环境，以达到既让压又控制变形量的支护目的。
③煤巷采用锚杆支护技术是支护改革的重点之一，但锚杆支护不是万能的，不能简单地认为可以解决井下掘进支护的所有问题。要因地制宜，研究、发展以锚杆为主的多种形式的联合支护技术。这需要一个艰难的探索和实践的历程。
参考文献
〔1〕候朝炯、郭励生、勾攀峰.煤巷锚杆支护.徐州：中国矿业大学出版社，1999.
〔2〕柏建彪、候朝炯.复合顶板及软煤层巷道支护技术研究.岩石力学与工程学报，2001，20（1）.

第一作者简介 张连福 男 ，964年出生，1987年毕业于焦作矿业学院。现任桃园煤矿总工程师，高级工程师。已发表论文十几篇。邮政编码：234116

（收稿日期：2005-01-17；责任编辑：胡 林）