耿志飞

（西山煤电西曲矿生产技术科，山西 古交030200）

引言

工作面巷道的支护质量和效果直接决定综采工作面生产的安全性和效率。针对煤矿不同的地质、水文以及煤层等条件，其对应的最佳支护方案不尽相同。近年来，预应力锚杆支护已经逐步应用于综采工作面巷道的支护设计中，但是由于预应力锚杆支护设计方法单一、锚杆材料强度不高等因素导致预应力锚杆支护效果较差[1]。为此，本文着重开展预应力锚杆支护的相关理论和实践研究，为其后续推广应用奠定基础。

1 预应力锚杆的支护机理研究

当煤矿工作面开采时，巷道的应力重新分布使得围岩受力由之前的三向应力状态变为二向应力状态，进而导致工作面巷道的承载能力大大被削弱。根据工作面巷道的变形及围岩破坏程度将工作面划分为Ⅰ围岩破坏区、Ⅱ塑性区、Ⅲ弹性区和Ⅳ原岩应力区。

预应力锚杆对工作面巷道围岩控制作用主要体现为以下几点：

1）预应力锚杆可为巷道围岩表面提供足够的支护抗力，进而可有效控制围岩的有害变形；

2）预应力锚杆可加固巷道围岩，保证巷道的破坏区与塑性区具有良好的整体效果，可形成具有较高承载能力的组合梁或者组合拱；

3）预应力锚杆可有效降低由于巷道开采所导致的围岩强度降低，进而有效改善工作面巷道围岩的力学参数，强化巷道围岩的承载能力[2]。

4）预应力锚杆可改善岩体的受力状态，继而改善整个巷道围岩的应力场；

5）预应力锚杆可改善巷道岩体的变形性能，与其他支护构架形成一个整体支护效果。

经理论试验研究可知，不同规格锚杆且不同预紧扭矩对应的锚杆的预应力关系如图1所示。

图1 锚杆预应力与锚杆规格、预紧扭矩之间的关系

如图1所示，随着锚杆预紧扭矩的增加锚杆轴向预应力不断增加，而且，在同一预紧扭矩的作用下，基本呈现锚杆直径越大其对应的预应力值越大的趋势[3]。

2 预应力锚杆的支护设计

2.1 工程概况

本文以某煤矿的1203运输巷道为研究载体，对其预应力锚杆支护方案及其支护效果进行分析。1203运输巷道煤层的平均厚度为2.4 m，煤层倾角范围为20°～26°。1203运输巷道的顶底板情况如表1所示。

表1 1203巷道顶底板情况

1203运输巷道工作面在水平方向所受最大应力值为34.5 MPa，在垂直方向上所受最大应力值为30.48 MPa。总的来说，1203运输巷道工作面属于高应力巷道。

2.2 运输巷道支护设计

1203运输巷道的形状为梯形结构，该断面的宽度为3.7 m，高度为3 m；净宽度为3.4 m，净高度为2.6 m。针对1203工作面巷道的地质、煤层、水文等特征，工作面采用锚网+锚杆的组合支护方案。

2.2.1 锚杆支护参数

锚杆直径为25 mm，锚杆长度为2.4 m，锚杆间排距为800 mm；其中，顶板锚杆的间距为900 mm，巷道上帮锚杆的间距为1 100 mm，巷道下帮锚杆的间距为800 mm。每排锚杆的数量为12根。为保证上述规格锚杆对巷道围岩的控制效果，为其配置高强度锚杆螺母，并采用树脂对锚杆进行加固[4]。

2.2.2 锚网支护参数

根据1203工作面顶板及两帮的地质条件为其配置厚度为5 mm，宽度为280 mm的钢带，并根据实际情况选择长度为3.8 m、3.5 m以及1.8 m的钢带；对两帮所选型的网片规格如下：4.5 m×0.9 m、3.6 m×0.9 m、1.9 m×0.9 m。

3 不同预应力锚杆对巷道的支护效果对比

为验证在上述基础支护方案下不同预应力锚杆的支护效果，在实际支护操作中分别采用锚杆预紧扭矩为300 N·m和600 N·m进行施工，并对两种预紧扭矩对应工作面巷道的矿压进行监测，从而得到不同锚杆预应力对应的巷道支护效果。

经理论研究可知，当锚杆预紧扭矩为300 N·m时对应的锚杆预应力为50 kN；当锚杆预紧扭矩为600 N·m时对应锚杆的预应力为75～80 kN。本节着重对不同锚杆预应力下巷道表面的位移变化、顶板的离层量以及锚杆的应力情况进行对比。

3.1 不同预应力锚杆下巷道表面的位移变化

经现场观测，巷道表面的位移变化通过巷道两帮的移近量、两帮移近速度、顶底板的移近量以及顶底板的移近速度进行反映，所得监测结果如表2所示。

表2 不同预应力锚杆对应的巷道表面位移变化

如表2所示，随着锚杆预应力的增大，对应工作面巷道的两帮和底板的移近量明显降低，且与之相对应的移近速度也非常小。因此，适当增大锚杆预应力可对巷道表面围岩进行有效控制[5]。

3.2 不同预应力锚杆下巷道顶板的离层量变化

将两种预应力锚杆应用于巷道围岩的支护方案中，并对其顶板的离层量变化情况进行为期60 d的观测，得出如图2所示的结果。

图2 不同预应力锚杆对应的顶板离层量变化

如图2所示，随着工作面的不断推进，工作面巷道顶板的离层量增大至一定值后趋于稳定；而且，随着锚杆预紧扭矩的增加，巷道顶板离层趋于稳定所需时间缩短，当锚杆预紧扭矩为300 N·m时对应稳定时间为41 d，而当锚杆预紧扭矩为600 N·m时对应稳定时间为35 d；随着锚杆预紧扭矩的增加巷道顶板的离层量明显降低，当锚杆预紧扭矩为300 N·m时对应顶板离层量的平均值为57 mm，而当锚杆预紧扭矩为600 N·m时对应顶板离层量的平均值仅为4 mm。即说明，锚杆预紧力可对巷道顶板的离层量进行有效控制。

3.3 不同锚杆预应力下锚杆受力情况对比

不同锚杆预应力下锚杆的受力变化情况如表3所示。

表3 锚杆受力变化情况对比

如表3所示，随着锚杆预应力的增加，将开采初期锚杆的受力与开采完毕后锚杆的受力情况进行对比，二者的差值明显降低。即说明，锚杆预应力适当增加可保证锚杆的受力情况基本无变化。

4 结语

预应力锚杆为当前工作面巷道支护常采用的支护手段，为保证预应力锚杆在实际应用中的支护效果。本文开展了预应力锚杆的理论和实践应用研究，具体总结如下：

1）不同预紧扭矩由于所应用工作面的不同，其对应预应力值不同；

2）随着锚杆预应力值的增大，工作面巷道的表面围岩、顶板离层量等均能够得到有效控制，而且在施工期间锚杆的受力变化量很小。