锚索桁架在改进大断面煤巷支护中的应用

贺小勇

(山西中阳钢铁集团有限公司，山西　吕梁　033402)



·技术经验·

锚索桁架在改进大断面煤巷支护中的应用

贺小勇

(山西中阳钢铁集团有限公司，山西吕梁033402)

针对山西某矿20103综放工作面区段运输平巷在巷道开掘后出现的顶板破碎和两帮变形严重等技术难题，基于预应力锚索桁架支护原理，结合该矿实际开采地质条件，设计并优化了联合支护方案中的锚索桁架支护参数。现场实测结果表明，以非对称锚索桁架为主的联合控制技术能够解决综放工作面大断面煤巷的支护难题。

综放工作面；大断面煤巷；锚索桁架；非对称支护

1　工程概况

山西某矿20103综放工作面的北部为20105工作面采空区，两工作面间的区段煤柱宽度为8 m，20103工作面的南部为尚未开采的20101工作面。其中，20103工作面倾向长度261 m，走向长度1 231.7 m.20103区段运输平巷于20105工作面回采结束后2个月开始掘进，现20103区段运输平巷已经掘进完毕。20103工作面布置见图1.

图1　20103工作面布置示意图

20103工作面煤层赋存稳定，钻孔揭露煤层平均厚度6.28 m.煤层结构较复杂，一般含1～2层炭质泥岩、泥岩夹矸。20103工作面运输平巷为矩形断面，掘进断面规格为宽5 600 mm×高3 550 mm，采用锚、网、索、钢筋梯子梁联合支护方式，原有具体支护方案见图2.

图2　原有支护方案示意图

2　20103区段运输平巷矿压显现分析

20103工作面区段运输平巷在相邻20105工作面开采结束后不久进行掘进，受20105工作面上覆岩层运动及未稳定支承压力的影响，且在掘进过程中揭露较多小构造，围岩整体稳定性较差，在原有的支护方案下，巷道矿压显现情况如下：

1) 顶板整体性较差，局部破碎。由于煤体强度较弱，围岩整体性较差，在顶板大结构的强水平挤压运动及巷道帮角上方附近顶板剪切应力的作用下，煤体易产生破坏，加之局部区域小构造影响，顶板较为破碎，局部区域出现冒顶，冒顶最大高度可达1 m以上；由于顶板大结构的回转运动作用，巷道顶板浅部围岩存在明显内挤变形，位于巷道中部区域的W钢带受挤压向下凸出现象较为普遍。

2) 两帮变形严重。巷道煤柱帮侧变形量较大，局部区域网兜明显，个别区域出现片帮及煤柱整体内挤变形；实体煤帮侧变形稍小，巷帮表面煤体较破碎，变形和扩容现象明显，局部区域发生片帮，片帮深度最大可达1 m左右。

3) 对20103巷道围岩破坏情况进行现场矿压观测，巷道矿压显现强烈段频率很高，占到整个调研巷道的59.6%.矿压显现主要位置集中在2个顶角处、巷道中部和未支护的巷帮底部，3个位置占矿压显现段的频率依次为45.2%、25.8%、22.6%.

3　20103区段运输平巷控制对策

1) 采用强度高、延伸量大的锚杆支护。

锚杆强度增高后使得支护阻力大大增强，围岩塑性区及破碎区发展得到控制、塑性区流变速度减缓，围岩变形减小[1]；延伸量大的锚杆允许围岩变形量相应加大[2]，围岩应力降低、锚杆载荷减少，锚杆破断风险降低，巷道维护状况得到有效改善。

2) 高强预应力锚索支护。

通过采用高强预应力锚索补强支护，对巷道松动圈内的煤岩进一步加固，将其锚固到深部稳定围岩中[3-4].由于高强预应力锚索的预紧力和承载能力得到加强，进一步加强了锚杆在顶板支护中形成组合梁作用，使浅部的组合梁更牢固地悬吊在顶板老顶内。补强后的锚索、锚杆共同作用力相互叠加，组合形成了更稳定的新岩梁。这个新岩梁厚度、刚度、岩层间抗剪强度均得到成倍增加，改善了巷道受力条件，充分调动了深部稳定围岩的承载能力，使顶板得到有效控制，片帮问题也较好地得到了解决。

3) 改进支护系统结构。

一般情况下，锚杆(索)支护主要采用悬吊理论，解决复杂条件下的高地应力煤巷、厚软岩巷道等支护难题已不能完全发挥作用。为了更好地发挥单体锚索和锚杆的共同作用，利用锚杆控制巷道浅部围岩的性能，将钢绞线预拉力桁架作用于受压状态的巷道两肩窝部位，以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2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受力状态，使低位岩体的力学性能得到强化、抗变形性能得到提高，以及层状顶板的不协调变形得到控制[5-6].

4) 分区治理。

不同位置的矿压情况差异较大，矿压显现亦明显不同。20103工作面区段运输平巷在相邻20105工作面开采结束2个月后进行掘进，受20105工作面上覆岩层运动及未稳定支承压力的影响，原有支护方案不能满足采动影响下巷道稳定的需要，需进行二次加固，这一区域为待加固区域，支护的关键是保持窄煤柱的稳定性[7]，巷道对支护要求要更侧重于窄煤柱侧的支护。

4　工程实践

4.1改进后的支护方案

通过对20103区段运输平巷巷道围岩特点、巷道支护要求和围岩控制机理与技术进行理论分析，提出20103工作面区段运输平巷改进支护方案采用“简式复合锚索桁架+双侧角锚索+新型预应力锚索桁架”的联合支护方式，并且对顶板金属网和巷道两帮锚杆、锚索规格及间距进行了调整。具体支护方案见图3.

图3　改进后支护方案示意图

4.2巷道围岩控制效果分析

在20103工作面区段运输平巷内距工作面开切眼110 m位置设矿压观测站，对围岩表面位移、顶板离层状况进行观测。巷道围岩变形量随工作面距离变化曲线见图4.

从图4可以得出，距工作面前方50 m时，围岩变形基本不受采动影响，围岩变形呈现缓慢增长趋势曲线没有太大波动；工作面至距测站35 m时围岩变形开始有显著增长，此时测站受采动影响较为剧烈，呈现快速增长趋势，且两帮变形速度及变形量均大于顶底板，但围岩总体移近量并不大，尤其就顶底板移近量而言保持一个相对较小值。截止工作面推至测站，巷道顶板累计下沉量165 mm，两帮累计移近量122 mm，巷道变形量在安全范围之内。

5　结　论

1) 根据巷道围岩稳定性控制原理，在分析总结当前综放沿空大断面煤巷锚固支护技术基础上，提出了“强顶、减跨补强、分区治理”修复思路，并在原支护基础上采用非对称“多锚索-钢筋组合圈梁-槽钢”的修复技术方案，且槽钢梁位于弯矩和挠度的“重心”位置。

图4　巷道围岩变形量随工作面距离变化曲线图

2) 现场应用效果表明，在采动影响范围内顶板最大累计下沉量为165 mm，最大累计下沉速度为9 mm/d；两帮最大累计移近量为122 mm，最大累计移近速度为9.2 mm/d.采取修复支护方案后，20103工作面区段运输平巷在工作面采动作用下基本无离层现象，巷道维护状态比较稳定。

3) 本文提出的窄煤柱大断面综放面受损动压回采煤巷采取的锚索桁架配合顶板角锚索支护设计方法合理，安全可靠，对类似工程可提供借鉴。

[1]董方庭．巷道围岩松动圈支护理论及应用技术[M].北京：煤炭工业出版社，2001：42-48.

[2]杨双锁．回采巷道围岩控制理论及锚固结构支护原理[M].北京：煤炭工业出版社，2004：105-110.

[3]李建军.大断面沿空巷道锚索桁架联合控制技术[J].煤炭技术，2013，32(2)：61-62.

[4]康红普，林建，吴拥政．全断面高预应力强力锚索支护技术及其在动压巷道中的应用[J].煤炭学报，2009，34(9)：1153-1159.

[5]孙晓明，何满潮，冯增强．深部松软破碎煤层巷道锚网索支护技术研究[J].煤炭科学技术，2005，33(3)：47-50.

[6]何富连，殷东平，严红,等．采动垮冒型顶板煤巷强力锚索桁架支护系统试验[J].煤炭科学技术，2011，39(2)：1-5.

[7]苑振山.杨家湾煤矿复式锚索桁架支护技术的探索与实践[J].西北煤炭，2008，6(3)：25-27.

Application of Anchor Truss in Improving Coal Roadway Supporting of Large Section

HE Xiaoyong

Aiming at the technical problems of roadway roof breakage and two sides severe deformation of section transport drift in a mine 20103 fully mechanized caving face after the roadway excavation. Based on the supporting principle of prestress anchor truss, combines with the actual mining geological conditions, designs and optimizes the anchor truss supporting parameters in the combination supporting scheme. The measured results show that the combined control technique in a primarily asymmetric anchor truss can solve the supporting problem of large section roadway in fully mechanized caving face.

Fully mechanized caving face; Large section roadway; Anchor truss; Asymmetric supporting

2016-02-19

贺小勇(1970—)，男，山西吕梁人，1992年毕业于大同煤校，工程师，主要从事煤矿生产技术及管理方面的工作(E-mail)331716811@qq.com

TD353

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1672-0652(2016)03-0022-03