软岩巷道U型钢支架-锚索协同支护设计研究

董洪青 王 新

（1.滕州市金达煤炭有限责任公司，山东 滕州 277500；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266000）

1 前言

煤炭资源是我国能源构成的重要组成部分。地层浅部煤炭资源已经越来越少，逐渐向深部发展，当开挖到一定深度时，巷道围岩将承受很高的应力，导致围岩破碎，软岩巷道问题更加突出。为了保证井下作业安全，软岩巷道支护问题变得更加重要。

本文以鑫安煤矿-600m运输巷道为研究对象，巷道围岩破碎，裂隙发育，巷道稳定性极差。采用十字布点法进行巷道变形监测，巷道变形较大，两帮及顶底板收敛严重。分析巷道大变形原因，提出采用U型钢支架-锚索对巷道进行支护，对支护参数进行设计，并应用于工程实际，发现巷道围岩变形大大减小，增加巷道稳定性。

2 工程概况

鑫安煤矿-600m巷道维修主要用途是形成回风系统、运输系统、上下人员、管线敷设。由于巷道埋深较深，加上该地区构造应力作用明显，巷道断面设计为半圆拱形，SA荒= 19.3m2，SA净= 17.6m2，净宽5500mm，净高3800mm。采用锚杆和金属网进行支护，支护参数为：锚杆Φ22mm、L2300mm螺纹钢式树脂锚杆，间排距1000×800mm，底排锚杆下扎不小于30°，起锚距400mm，使用2块MSZ2350树脂药卷锚固；金属网为Φ6.5mm圆钢焊接而成，顶部采用规格：1950×1050mm，网格70×70mm，帮部采用规格：1950×1050mm，网格100×100mm，使用14#铁丝对折双股绕三圈采用专用工具拧紧，扣距300mm，全断面挂网。

巷道支护完成后，采用十字布点法对巷道两帮移近量和顶底板位移量进行监测。该巷道使用1年后，通过监测数据发现，巷道两帮移近量为286mm，顶底板移近量为366mm，并且巷道围岩十分破碎，裂隙发育，轨道变形严重，严重影响巷道的正常使用。通过多次维修，大大增加投入成本，迫切需要对巷道进行重新支护设计。

3 U型钢支架-锚索协同支护理论

根据现场地质条件并参考同条件下矿井巷道支护经验，提出采用U型钢支架-锚索协同支护的优化方案。U形钢支架-锚索配合使用，通过在合适的位置打设锚索，增加U型钢支架的承载能力，主要通过增加锚索的支架进行承载能力和结构稳定性补偿，同时棚式支架又为锚索支护提供良好的护表构件，发挥和提高锚索的锚固性能。U形钢支架-锚索支撑可以改善巷道围岩的应力分布，提高浅埋巷道围岩的残余强度。同时，通过锚索的锚固作用，优化了U形钢支架的承载性能，提高了U形钢支架的承载力和抗变形能力，提高U形钢支架的整体稳定性，实现U形钢支架的整体承载。当围岩变形压力较大时，U形钢支架与周围岩石一起变形，承载变形；两帮和肩窝是变形压力最大的部位，锚索对U形钢支架的上述部分的变形提供了很大的阻力，并且防止了支架中的突变形状。同时，U形钢支架用作整体结构，并且支架被限制在有限的变形空间中，通过支架重叠部分的收缩释放剩余的大变形，实现U型钢支架高阻可缩的特性。

通过理论分析与现场实际情况，将巷道支护参数设计为：U36型钢支架为基本支护，棚距600mm，搭接长度450mm，采用三副卡缆搭接；在巷道右帮帮脚、两帮帮中、两起拱线、顶板中间位置分别安装锚索，并采用11号工字钢托梁，将U型钢支架与结构补偿锚索耦合为整体，锚索采用17.8mm×6000mm，1860MPa钢绞线。锚索呈正方形布置，长度为6000mm，间排距1000×600mm，锚固长度不少于1000mm，预紧力不少于400N·m，锚固力不少于70kN，锚索安装垂直于巷壁，夹角不少于75°。锚索起锚距为350mm，帮角处锚索向下与水平方向夹角为35°，帮中锚索长度采用17.8mm×8000mm，1860MPa钢绞线。如图1所示。

图1 巷道支护示意图

4 巷道稳定性研究

在巷道内选取3个监测点，分布于巷道1/4、1/2、3/4长位置处，采用十字布点法，对巷道进行为监测。监测数据如表1所示。

表1 监测数据

通过对巷道进行为期1年的监测，巷道监测点1顶板下移量为35.48mm，两帮移近量为32.02mm，底鼓量为19.66mm；监测点2顶板下移量为39.33mm，两帮移近量为24.25mm，底鼓量为20.96mm；监测点3顶板下移量为34.38mm，两帮移近量为23.09mm，底鼓量为21.52mm。数据分析发现，与原有支护方式相比，顶底板移近量减少了85.03%，两帮移近量减少了90%以上，巷道变形得到有效控制，巷道稳定性大大提高。

对巷道进行数值模拟分析发现，采用原有的支护方案，巷道塑性区主要集中在巷道顶部、拱肩位置，其中顶部塑性区深度为3.8m，拱肩位置塑性区深度为4.3m，在两帮帮角位置出现应力集中现象。采用U型钢支架-锚索支护方案进行数值模拟分析发现，巷道顶部和拱肩位置塑性区深度得到降低，深度分别为0.6m和1.3m，帮角位置应力集中现象得到有效改善，巷道受力更加均匀，满足巷道稳定性要求。

5 结论

（1）在原有支护方案下，巷道运行半年，两帮移近量为286mm，顶底板移近量为366mm，巷道围岩十分破碎，裂隙发育，巷道大变形。

（2）根据现场实际情况提出采用U型钢支架-锚索协同支护方案：U36型钢支架为基本支护，棚距600mm，在巷道右帮帮脚、两帮帮中、两起拱线、顶板中间位置分别安装17.8mm×6000mm钢绞线锚索，采用11号工字钢托梁，将U型钢支架与结构补偿锚索耦合为整体。

（3）现场监测和数值模拟分析可以得到，与原有支护方式相比，顶底板移近量减少了85.03%，两帮移近量减少了90%以上，巷道变形得到有效控制，巷道顶部和拱肩位置塑性区深度得到降低，帮角位置应力集中现象得到有效改善，巷道受力更加均匀，巷道稳定性大大提高。