动压巷道高预应力桁架锚索加固支护技术研究

仲建平，陈力慧，杨永康

（1.山西中煤华晋能源有限责任公司王家岭煤矿,山西河津 043300；2.太原理工大学采矿工艺研究所，太原 030024）

动压巷道高预应力桁架锚索加固支护技术研究

仲建平1，2，陈力慧1，2，杨永康2

（1.山西中煤华晋能源有限责任公司王家岭煤矿,山西河津 043300；2.太原理工大学采矿工艺研究所，太原 030024）

王家岭煤矿20102工作面回风巷受相邻20104工作面采动影响，巷道顶板下沉，底板鼓起，两帮鼓出，巷道变形较大，严重影响矿井安全生产。为了有效控制巷道变形，通过理论分析，数值模拟研究，采用了新型高预应力桁架锚索支护手段；现场工业性试验表明，高预应力桁架锚索支护提高了巷道围岩强度，有效地控制了动压巷道变形。

动压巷道；桁架锚索；支护技术

1 工程概况

图1 20102工作面平面示意图

王家岭煤矿20102工作面回风巷北部为正在开采的20104工作面，煤层平均厚度6.52 m，煤层普氏系数f=1.5，煤层倾角平均3°，埋深240 m～310 m，地面为田地沟谷。20104工作面采用综合机械化放顶煤开采，采高3 m，相邻工作面间的保护煤柱宽度19.4 m，工作面布置见图1。20102工作面回风巷为典型的动压巷道，高×宽为3 550 mm×5 200 mm，采用锚网索联合支护，沿底板掘进，属于迎采动掘进。其中，20102回风巷受20104工作面回采影响段，巷道顶板下沉，底板鼓起，两帮片帮，部分地段顶板切顶，锚索拉断，巷道变形严重，修复工程量大且给安全生产带来严重威胁。为防止受采动影响巷道变形损坏，提前对20102回风巷进行加固。

2 动压巷道变形机理分析

20102 工作面回风巷为开掘之前煤岩体处于弹性变形状态，煤体垂直应力为上覆岩层的重量，巷道开掘后原岩应力重新分布，巷道内出现应力集中，此时若围岩应力小于煤层强度，围岩处于弹性状态，如果围岩应力大于煤层强度，巷道围岩就会产生塑性变形，从巷道的深部扩展到一定范围，此时巷道周围就出现塑性变形区，为弹塑性介质，将巷道近视为圆形，巷道围岩应力分布见图2[1-2]。

图2 围岩巷道应力分布

20102 回风巷支护后处于稳定阶段时，巷道围岩应力也处于在极限平衡状态，此时若受到20104工作面采动影响，在采动外力的影响下，20102回风巷围岩出现应力集中，从力学角度分析，集中应力表现为较大的应力偏张量，促使巷道围岩沿着围岩弱面破坏，即向破碎区域扩展，将一部分弹性区域进入塑性区，扩大了塑性区的范围，同时塑性区在集中应力的作用下产生流动挤压力，迫使一些塑性区的围岩进入峰后状态变成破碎区，使得破碎范围扩大，巷道表面位移变大，巷道损坏变形。此时破碎区域围岩得不到有效支护，将进一步恶化，扩大塑性区、破碎区，巷道变形加重，巷道围岩分区见图3[3-5]。

图3 巷道围岩分区图

巷道破碎区里的围岩稳定性差，支护体系的作用和受采动影响的程度是决定破碎区围岩能否长期稳定的关键因素。因此，增加20102回风巷围岩支护强度，提高巷道支护体系整体支护强度来抑制巷道破坏变形力，是控制巷道变形的关键所在。

3 新型高预应力桁架锚索主动支护机理

考虑20102回风巷地质条件，煤层脆，抗压能力差，顶煤整体破碎，顶煤和直接顶已经发生离层，难以形成整体结构，需在水平和垂直方向同时提供主动支护。高预应力桁架锚索支护能在巷道顶板的水平和铅垂方向同时提供挤压应力的预应力支护结构[6-7]，它克服了单体锚索支护不能提供水平张紧力的缺陷，从而使得锚固区内的煤岩体处于多维挤压状态，高预应力桁架锚索支护新结构由预应力高强度钢绞线、专用桁架连接器和锁具组成，见图4。

图4 新型桁架锚索支护结构原理图

钢绞线预拉力桁架是将处于受压状态的巷道两肩窝深部岩体作为锚固点和承载结构的基础，采用高预拉力对拉并锁紧两根钢绞线，直接作用于顶板浅部的围岩，提供水平预应力改善顶板的应力状态，强化低位岩体的力学性能和提高其抗变形性能，控制层状顶板的不协调变形。桁架锚索是一种能在巷道顶板的水平和铅直方向同时提供挤压应力的主动支护结构，从而使得锚固区内的煤岩体处于铅直挤压和水平挤压的双向应力状态，桁架锚索系统预紧力引起的主动支护力使巷道顶板产生向上的垂直位移趋势，减小或抵消顶板的下沉和离层。在巷道顶板的弯曲和下沉变形过程中，锚索受到的拉应力增加，锚固区内的煤岩体受到的挤压力也随之增加[8-9]。

4 加固支护方案

20102 回风巷加固顶板采用φ20 mm×2 500 mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距900mm×900mm，采用两根1×7股高强度低松弛预应力钢绞线φ17.8 mm×9 300 mm，桁架锚索系统底部跨度2 100mm，孔口帮距1 550m。桁架角度：锚索钻孔与顶板垂线的夹角为15°，具体支护见图5。

图5 桁架锚索联合加固支护方案

5 加固效果分析

5.1数值模拟分析

采空FLAC3D数值模拟加固支护效果见图6，由图可以看出，经受侧向高支承压力及动压作用区巷道顶板的塑性区由中间向两边逐渐减小，巷道中部塑性区深度在3m左右，两边深度最小仅为0.3 m。巷道两帮的塑性区分布比较均匀，深度在2m左右。巷道底板的塑性区深度为2m。巷道围岩的剪切应力最大为-5.1 MPa，在巷道四个帮角处出现应力集中。在现有支护条件下，巷道垂直应力在顶板的拉应力区基本消失，最大拉应力出现在底板，仅为0.2MPa。垂直应力在距两帮2.7 m左右产生应力集中，最大为-13.1MPa。顶板垂直位移在中部最大，为0.06m。巷道两帮及底板的垂直位移较小，底鼓量为0.02 m。水平位移在巷道两帮的中部最大，变形量为0.07m。综上可知，巷道的塑性区、剪切应力、垂直应力、垂直位移、水平位移均在合理的范围内，控制效果良好，支护方案合理。

图6 桁架锚索支护模拟图

5.2巷道支护效果分析

对加固巷道进行布点观测，测点平均变形量见图7，由图可以看出在20102工作面回采尚未被20104工作面采动影响时，20102回风巷道顶板下沉量和两帮移近量都比较小，在40mm左右，而在随着工作面的推进测站逐渐进入20104工作面支承压力影响范围，20102回风巷顶板下沉量和两帮移近量都剧烈增大，变形较大，达到160 mm左右，并且变形逐渐变缓，趋于稳定。可见，在20102回风巷采用高预应力桁架锚索支护可以有效控制巷道变形，保证动压巷道围岩稳定。

图7 加固后巷道表面位移变化曲线图

6 结论

1）王家岭矿20102回风巷受相邻20104工作面采动影响下，巷道变形严重。

2）增加20102回风巷围岩支护强度，提高巷道支护体系整体支护强度来抑制巷道破坏变形力，是控制巷道变形的关键所在。

3）桁架是拉紧的钢绞线与顶板形成线接触，作用范围大，松散破碎顶板受力状态好。

4）高预应力桁架锚索支护能在巷道顶板的水平和铅垂方向同时提供挤压应力的预应力支护结构，桁架施加的水平预拉力可以改善顶板的应力状态，在巷道顶板内产生一对对称弯矩，减小由于顶板弯曲而产生的拉应力区，使其向压应力状态转化，这对改善顶板的稳定性有着重要的作用。

5）通过数值模拟分析，加固后的巷道的塑性区、剪切应力、垂直应力、垂直位移、水平位移均在合理的范围内，控制效果良好；现场工业性试验观测结果显示巷道表面位移得到有效控制，保证了巷道围岩稳定性。

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（编辑：薄小玲）

Reinforcement Technology of High Prestressed Truss Anchor in Dynam ic Pressure Roadway

ZHONG Jianping1,2，CHEN Lihui1,2，YANG Yongkang2
(1.Wangjialin Mine,China Coal Huajin Energy Co.,Ltd.,Hejin 043300,China; 2.Institute of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

Affected by themining in the adjacent No.20104 working face,roof subsidence,floor heave,two sides swell,and large roadway deformation in the return airway of No.20102 working face in Wangjialing Mine,have seriously threatened the production safety in themine.To effectively control the deformation,a high prestressed truss anchor was adopted on the theoretical analysis and numerical simulation.The field industrial test showed that the high prestressed truss support could improve the strength of roadwaysurrounding rock and control the deformation of thedynamic pressure roadway.

dynamic pressure roadway;trussanchor;support technology

TD353

A

1672-5050（2016）06-013-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.004

2016-01-30

仲建平(1964-)，男，江苏无锡人，硕士，工程师，从事煤炭开采技术管理工作。