沙雨勤

【摘要】为解决近距离采空区下留巷顶板稳定问题，提出了顶板预应力控制思想和离层控制理论，并形成了高强预应力支护技术及配套产品，本文对此进行了简要介绍。

【关键词】近距离煤层；顶板稳定；高强预应力

老母坡煤矿2#、3#煤层的埋藏深度在200m左右，3#煤层位于2#煤层下方2.20～9.97m，平均7.57m，属于近距离煤层。开采3#煤层时，采用沿空留巷技术。为使留巷成功，3#煤层巷道掘进时，必须采用科学可靠的支护体系，确保巷道顶板的稳定并控制围岩的变形量。为此，在悬吊理论、组合梁（拱）理论、围岩强度强化理论等理论基础上，针对老母坡煤矿近距离采空区下留巷地质条件，提出了顶板预应力控制思想和离层控制理论，并形成了高强预应力支护技术及配套产品，本文将对此做简要介绍。

传统的锚杆支护为低强度、低初锚力的支护系统，而煤巷高强预应力支护技术强调的则是高强度、低初锚力。其原理是在安装时依靠锚杆对顶板弱面实现有效约束，施加强预应力消除顶板离层，是一种高强支护系统。该系统中所叙述的锚杆预拉力与初锚力概念的不同，二者虽然都是锚杆初始径向作用力，但锚杆预拉力更大，超过顶板松动岩层的自重，而且依靠较高的锚杆预拉力能够使围岩与锚杆形成统一的预应力承载结构。从高强预应力的思路出发，近几年发展了很多新型支护手段，同时大扭矩钻机也得到了大力的开发和推广，为主动支护的实现提供了更为广泛的技术支持，也克服了高强锚杆支护使用中存在的主要安全和技术缺陷。目前老母坡煤矿实施的高强预应力支护技术分为高性能预拉力锚杆支护技术、小孔径钢绞线预拉力锚索梁技术和高预拉力钢绞线桁架系统三种类型，笔者将分别进行介绍。

1.高性能预拉力锚杆支护技术

高性能预拉力锚杆支护技术能够让围岩与支护构件形成统一的承载体，消除围岩弱面并控制顶板离层。为实现高性能、高预拉力，除了要开发新型的高性能预拉力锚杆，也必须研制与其相适应的护表构件。本系统中相配套的是新型M型钢带，并结合锚网形成锚带网的支护形式。

1.1新型高性能预拉力锚杆

目前，我国的锚杆和使用中仍存在诸多问题，包括锚杆体的材质，护表构件的加工和安装，实现高强锚杆预拉力的夹具的研制等，针对这些问题，我矿对于新型高性能预拉力锚杆的技术指标和加工提出了6个方面的要求，具体如下：

（1）为实现高强度、高延伸率，锚杆杆体采用20MnSi无纵筋左旋螺纹钢加工而成，除了强度和延伸率性能满足条件外，钢筋表面固有凸纹，制作杆体时可以一次成型，也能满足阻力和锚固的要求；

（2）为使护表构件（螺母、托盘、钢带等）的强度与杆体相匹配，采用等强度或增强加工新工艺，实现各构件的尺寸和强度相当；

（3）为改善锚杆外端部螺母的受力状态，安装时采用双重垫圈，其中一个采用尼龙垫圈，作用是减小螺母与托盘间的阻力，更好的施加预拉力，另一个采用凹形垫圈，其作用是调整杆体端部的受力状态；

（4）为实现扭矩螺母的快速安装，采用新型的机械安装结构；

（5）锚杆预拉力的大小及施工质量，可以通过垫圈的变形程度及状态进行直观监测；

（6）为适应高强度、高延伸率的杆体的性能要求，研发了相配套的新型附件，包括M型托盘配套顶板M型钢带、槽型托盘配套帮用的Π型轻型带钢等，这些附件不但性能优越，可以改善锚杆整体的受力情况，而且用料更省，分为多种系列，各系列规格不同，可以满足不同施工条件的要求。

此种锚杆最突出的性能是可以实现高预拉力，因此可以称其为高性能预拉力锚杆，几种典型的成品如图1所示。与传统的高强锚杆相比，其性能优势主要有两个方面：

图1 几种新型的高性能预拉力锚杆

（1）单套高性能预拉力锚杆破断力180kN以上，预拉力可以达到20～30kN；初始支护强度能够达到30～45kN/m2，在合理的施工条件下，即施工循环短、支护及时的条件下，能够超过松动岩体的重量，消除围岩弱面及顶板离层。因此，此类锚杆的可靠性更高。

（2）新型的扭矩螺母机械安装结构可以实现锚杆的快速安装，双垫圈可以在减小螺母与托盘间的摩擦力的同时保证高强度的预拉力，而且根据垫圈的变形状态和变形程度可以直观判断施工质量，便于现场的施工管理。

1.2新型M型钢带

新型M型钢带，如图2所示，与国外普遍采用并在我国广泛推广的W型钢带相比，该钢带具有如下几个优点：①其抗弯截面模量为W型钢带的3倍左右；②高翼缘形断面，抗撕裂性好，解决了W型钢带在高低压煤巷使用容易撕裂的缺陷；③两个方向的截面模量差别大，向下截面模量是向上的2.75倍，因此很容易与顶板密贴，同时向下截面模量很大，能有效控制锚杆间的围岩松动，维持顶板预应力结构效应。通过调整厚度，M型钢带已形成系列产品，可以适应不同地质条件、不同支护强度的要求。

2.小孔径钢绞线预拉力锚索梁技术

钢绞线的优点是可以不受巷道高度和尺寸的限制，而且延伸率变化较大，采用适当的机具能够实现50～150kN范围预紧力的自由调节，能够充分调动深部围岩的主动承载性，实现承载体的统一及高强行，因此小孔径钢绞线预拉力锚索在煤巷中得到了越来越广泛的应用。

图2 M型钢带

老母坡煤矿在原有的小孔径预拉力锚索基础上，进一步开发了预拉力锚索梁技术、双斜拉锚索技术和帮部锚索加固技术，确保锚固范围的同时实现不同强度的预张力和锚索布置方式，拓宽了顶板控制的技术手段。

当顶板条件较为复杂时，为配合预拉力锚杆共同支护，锚索的使用强调低张（预拉力60～80kN）、短锚（锚固范围一般不宜超过5.0～6.0m）、适当滞后的原则，对适当滞后的安装方式也作了明确要求，极大地控制了锚索破断、退锚等现象的发生，弱化了锚索刚度过大、不适应围岩变形的缺陷。

3.高预拉力钢绞线桁架系统

针对顶板松动范围大，地质异常带等特殊地段，利用巷道围岩变形规律，将处于受压状态的巷道两肩窝深部岩体作为锚固点和支护结构的基础，通过高强度的预应力钢绞线传递张拉力，直接作用于顶板锚固区围岩，控制厚层复合顶板离层，形成可靠的护顶结构。该系统结构简单，直接利用M型钢带作受力基础，并由专用机具实现初张力，支护原理如图3所示。

高预拉力钢绞线桁架系统是预防顶板垮冒、锚固区失效的可靠手段，设计的双孔环形连接器可以十分方便地连接两根钢绞线，并实现连续传递高张拉力，如图4所示，施工工艺和张拉过程与小孔径预拉力锚索完全一致。

图3 钢绞线桁架支护原理

图4 桁架连接装置

参考文献

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[4]张农，高明仕，许兴亮.煤巷预拉力支护体系及其工程应用[J].矿山压力与顶板管理，2002（04）.