桁架锚索支护技术在大断面巷道支护中应用

郝 宏 伟

（山西煤炭运销集团簸箕掌煤业有限责任公司，山西 大同037000）

1 工程概况

山西煤炭运销集团新村煤业13031 工作面主采3#煤层，平均煤层厚度3.8m，平均煤层倾角8°。工作面煤层赋存疏松，属于典型的松软不稳定煤层，煤层结构复杂。煤层直接顶为泥岩，厚度1.2～2.8m，平均1.9m；老顶（基本顶）为中粒砂岩，厚度2.9～4.3m，平均3.2m；直接底为砂质泥岩，厚度2.9～7.8m，平均厚度5.5m。13031 工作面施工切巷主要用于支架、运输机和采煤机等采煤设备的安装。

13031 工作面切巷为满足工作面采煤设备安装的需要，设计施工的断面形状为矩形断面，巷道宽8.2m，高3.5m，采取分两次施工的方式进行成巷，第一次施工的巷道断面为宽5m×高3.5m，当第一排巷全部施工完毕后，沿工作面回采方向再进行扩刷第二排巷，第二排巷的断面为宽3.2m×高3.5m。扩切巷施工采用锚杆索、钢筋网配合W 型钢带梁进行联合支护。

13031 开切眼第一排巷施工时，顶部布置6 根左旋无纵筋锚杆，锚杆规格为φ20×2400mm，配合M22 快速安装螺母及φ25mm 减磨垫圈使用，锚杆间排距800×800mm；帮部采用锚杆配合钢筋网、硬质塑料网及钢筋梯子梁进行支护，帮部布置6 根通丝锚杆，锚杆规格φ20×2000mm，间排距800×800mm，肩窝处锚杆使用异型托盘，顶部与帮部钢筋梯子梁分离，煤体中采用双层网（里层为硬质塑料网、外层为钢筋网）护表，岩体中采用单层钢筋网护表，巷道顶部锚索配合使用W 钢带施工。顶部锚索采用φ17.8×8200mm1860MPa 钢绞线，锚索间排距1500mm×800mm。岩体中锚杆预紧力矩不小于260N·m、锚固力不小于80kN，煤体中锚杆预紧力矩不小于200N·m、锚固力不小于70kN，锚索张拉载荷不小于20MPa。扩第二排巷时按照第一排巷的支护参数进行施工。第一排巷和第二排巷施工期间，分别在滞后迎头10m 距巷帮1000mm 位置采用单体液压支柱配合π 型钢打抬棚进行加强支护，抬棚一梁三柱，单体柱初撑力不低于90kN（具体支护图见图1 所示）。13031 采取上述方式支护，在开切眼形成以后，由于巷道断面大，顶板应力变化较为集中，出现巷道顶板下沉量和巷道两帮位移量增大，巷道变形较为严重，对工作面的设备安装造成较大影响，需重新对现有的巷道支护参数进行优化。

2 复合锚索桁架结构支护技术

复合锚索桁架结构支护技术是按照锚索桁架结构支护的原理，由多个单式锚索支护单元组成，根据围岩应力变化作用和锚索支护设计方法，采取一次或多次循环的支护方式，在不同的巷道施工断面上每间隔一定的距离，将锚索布置方式设计成交错叠加的方式。其充分利用巷道围岩的自承力，改善围岩的应力状态，提高巷道围岩结构的稳定性，进而达到提高巷道整体支护质量的支护技术[1],其具体布置设计如图2所示。

图2 复合锚索桁架支护示意图

在巷道大断面施工过程中，复合锚索桁架结构支护方式与普通的巷道锚网索支护及单式锚索桁架结构支护方式相比，主要有如下几方面优点：

1）该种复合桁架锚索支护方式是在巷道顶板的两侧和中间位置各布置一组锚索桁架，因其布置方式均匀，从而对巷道顶板提供均匀的水平力[4]；

2）该种支护技术将单式锚索桁架结构对巷道围岩的控制范围进行相互交错叠加，使得巷道顶板岩体与岩体之间形成一个整体结构，从而能够有效的控制大断面巷道围岩变形，提高巷道围岩结构的稳定性[3]。

3）在该种支护技术中，三组桁架锚索从巷道顶板中部垂直方向和巷道顶板两侧水平方向对顶板提供支护力，其所提供的支护力分布比较均匀合理，且使每组锚索均能充分发挥其支护作用，三组桁架锚索联合起来组成的支护力能够将桁架锚索在大断面巷道施工中发挥极大作用。

3 复合锚索桁架结构支护设计及实施效果

3.1 支护设计参数的确定

为了能够确保13031 工作面切巷采用复合锚索桁架结构支护的各项支护参数合理有效，依据13031工作面地质条件及施工环境因素等实际情况，运用FLAC3D软件建立巷道围岩支护数值模拟模型，模型设置的具体大小尺寸为长80m，宽50m，高40m。通过利用13031 工作面巷道顶板和底板岩层的实际资料对煤体和岩体模拟的力学参数进行设定，在数值模拟中采用规格φ20mm×2400mm 的螺纹钢锚杆和直径为17.8mm 锚索，巷道顶部锚杆设计布置13 根，锚索布置中顶板两侧的桁架锚索布置设计角度为15°，巷道中间的锚索角度设计为5°。

3.1.1 锚索长度设计参数的确定

为能够保障复合桁架锚索达到有效控制围岩的要求，分别选取8m、9m、10m、11m 和12m 等不同长度的桁架锚索支护时巷道围岩受力变化特征进行数值模拟分析，在不同长度的桁架锚索支护下巷道围岩变化特征如图3 所示。

图3 不同长度桁架锚索支护巷道围岩变化特征曲线图

由图3 中可以看出，巷道围岩的变形量随着桁架锚索的长度增长而呈现逐渐减小趋势，但当锚索长度增加到一定程度后，继续增加锚索长度对巷道围岩顶板下沉量和两帮移近量控制程度起到的效果不是很明显，而继续加长锚索不仅增加更多的经济成本，而且锚索越长，施工速度越慢，影响巷道整体掘进效率。因此，综合以上因素考虑，根据数值模拟效果，在13031 工作面开切眼施工桁架锚索时，选取长度为10m 的锚索比较合理。

3.1.2 桁架结构搭接长度设计参数的确定

桁架结构搭接长度的大小对巷道桁架锚索支护效果有较大的影响，因此，为确保巷道支护效果达到设计要求，分别选取搭接长度为-100mm、0mm、100mm、200m、300mm 的桁架结构支护下巷道围岩变形情况进行数值模拟分析，在不同长度的桁架搭接长度支护下巷道围岩变化特征如图4 所示。

图4 不同桁架搭接长度巷道围岩变化特征曲线图

通过对图4 变化曲线图分析可知，当桁架搭接长度逐渐增大时，巷道围岩顶板下沉量和两帮移近量呈现先减小后增大变化趋势，由图中可以看出，当桁架搭接长度从-100mm 增长到200mm 时，巷道围岩顶板下沉量和帮部移近量分别减小了21.3%和27.5%，当搭接长度由200mm 增长到300mm 时，巷道围岩变形量又开始出现增大趋势。根据以上数值模拟分析，选择搭接长度为200mm 锚索桁架比较合理。

在巷道顶部设计布置13 根锚杆，选择长度为10m 的桁架锚索，选择搭接长度为200mm 的桁架结构，将巷道顶部中间布置的锚索角度设计为5°，将以上数值参数代入进行模拟，得出如图5 所示的效果图。由图中可以看出，在该桁架锚索支护下，围岩塑性区结构发育相对较小，未对锚索的锚固区域造成影响。由此可知，该支护设计能够满足巷道支护效果要求，保障巷道围岩的稳定性。

图5 巷道围岩塑性区结构发育影响范围图

3.2 复合锚索桁架结构支护方案设计

依据以上数值模拟情况和分析结构，同时结合13031 工作面现场实际情况，设计工作面切巷支护方案如下：

1） 巷道顶板支护方案设计：顶部锚杆采用Φ20mm×2400mm 左旋无纵筋锚杆，锚杆布置的间排距为800mm×800mm，顶部共设计布置13 根锚杆，其中靠近巷道两侧的锚杆与垂直方向的夹角成15°，其余的锚杆布置与巷道顶板垂直，锚杆预紧力要求不小于200N.m。巷道顶部采用Φ17.8mm×10.3m 锚索进行支护，巷道顶部两侧的锚索与垂直方向成15°夹角进行布置，顶板中部的锚索与垂直方向成5°夹角布置，锚索预紧力要求不小于140kN。锚索绳被送进锚索孔孔底后，使用专用的锚索桁架、联接器和配套的锁具进行组合联接，将锚索桁架搭接长度设置为200mm（具体布置方式如图6 所示）。

图6 13031 工作面开切眼巷道支护示意图

3.3 实施效果分析

为了验证采用该种复合桁架锚索支护方式是否适用于13031 工作面，在开切眼施工后采用“十字”观测法对工作面巷道围岩变形情况进行了为期60 天的现场数据监测采集，根据监测采集到的数据，绘制出巷道围岩变化特征曲线，如图7 所示。

图7 13031 工作面开切眼巷道围岩变化曲线图

通过分析图7 可知，开切眼在0～20 天内围岩变形量较大，在支护方案实施20d 后，开切眼顶底板移近量及两帮移近量分别为84mm 和42mm；随着锚索桁架支护完成天数的增大，开切眼围岩变形量逐渐趋于稳定，支护后20～58 天范围内,围岩基本不出现变形，基于此可知围岩已经处于稳定状态，开切眼最终的顶底板及两帮最大移近量分别为87mm 和46mm。巷道围岩变形量得到了有效控制。

通过图7 分析可知，采取该种支护方式以后，13031 工作面开切眼在施工完成前20 天内，巷道围岩变形量比较大，其巷道顶底板变形量为84mm，巷道两帮位移量为42mm。随着时间的增加，桁架锚索逐渐发挥其作用，开切眼的巷道围岩变形量明显出现下降趋势，并趋于稳定，在施工20～58 天时间内，巷道围岩变形量基本未出现变化，最终分别达到87mm 和46mm，由此可知巷道围岩基本达到稳定状态，巷道围岩变形量实现了有效控制。

4 结 论

针对13031 切巷开切眼在采用原支护方式情况下存在的实际问题，提出复合桁架结构锚索支护技术，并采用FLAC3D进行数值模拟，确定采用10m 长锚索、锚索桁架结构搭接长度为200mm 等合理技术参数进行设计并现场实施，根据现场观测及实施效果分析来看，采用复合桁架锚索技术支护后，巷道顶板下沉量为87mm，巷道两帮位移量为46mm，巷道围岩变形量未超过规定要求，达到了控制巷道顶板的要求，该技术有较大实用和推广价值。