大断面沿空煤巷锚索桁架非对称支护技术研究

武润虎

（晋能控股煤业集团兴峪公司，山西 阳泉 045000）

1 工程概况

阳煤集团兴峪煤矿现阶段主采15#煤层，该煤层为简单结构煤层，倾角0°～15°，平均3°，煤层平均厚6.0 m。15502 工作面埋深334～438 m，东部为五采区大巷，西部矿界与坤宁煤矿相邻（实体），北部为15503 工作面（已采），南部为15501 工作面（实体）。15#煤基本顶为K2石灰岩，直接底为黑色砂质泥岩，基本底为K2灰色石灰岩。顶底板岩层具体情况详见表1。15502 工作面回风顺槽紧邻15503 采空区掘进，区段煤柱宽度7.0 m，掘进初期巷道围岩出现明显的变形破坏现象，为有效控制围岩的变形展开相关研究。

表1 15#煤顶底板岩性特征

2 15502 回风顺槽原支护及变形现状

15502 回风顺槽掘巷初期设计采用锚索+锚杆+梯子梁+拱形托板+金属经纬网联合支护。巷道沿15#煤底板布置，顶锚索选用Ф17.8 mm×6200 mm 钢绞线，锚杆选用Ф22 mm×2500 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，帮锚杆选用Ф20 mm×2000 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶部及帮部钢筋梯子梁均由直径8 mm 的圆钢焊制。顶锚索托板选用高强可调心拱形锚索托板，钢号不小于Q235，形状为拱形，托板尺寸300 mm×270 mm×12 mm，配用Ф68 mm×23 mm 调心球垫。锚具规格为KM18（1860），锚固剂为MS 双速Ф23 mm×1200 mm。

15502 回风顺槽属于典型的大断面煤巷，由于矿井采掘接续紧张，在邻近的15503 工作面未采掘完成前即开始了掘进施工作业。因此，沿空巷道不仅经受自身掘进扰动，而且受到邻近工作面采动影响，引发掘巷期间巷道表面局部出现较为剧烈的矿压显现，主要表现为顶板网兜、局部下沉，煤柱帮开裂严重、明显内移，10%～15%的锚杆、锚索失效，严重影响巷道的掘进。

3 大断面煤巷非对称支护技术

3.1 高预应力锚索桁架支护原理

沿空巷道紧邻采空区边缘掘进，一侧为大面积的实体煤，一侧为小煤柱和大面积的采空区，巷道围岩应力状态并非对称分布，支护设计时应当考虑围岩变形的不对称性。15502 回风顺槽掘进初期，巷道表面变形即表现为不对称性，靠近采空区侧顶板下沉更为严重，煤柱帮内移也更为明显。由此，提出采用高预应力锚索桁架非对称支护技术进行治理，其作用原理如图1。通过高强度桁架对顶板浅部岩层施加垂直向上和水平方向的约束力，减小巷道表面的变形，并将浅部岩层自重及载荷转移至深部岩层；通过长锚索的作用向两侧煤壁转移，提高顶板岩层的整体稳定性；通过调节桁架中心与巷道中线间偏移距离，达到不对称支护的效果[1-2]。

图1 锚索桁架系统的支护原理

3.2 不对称支护参数优化设计

为考察锚索桁架支护技术的控制效果，确定15502 回风顺槽锚索桁架布置参数，采用FLAC3D软件模拟巷道的开挖及支护[3-4]。巷道断面宽、高为5.6 m、3.6 m，巷道一侧为实体煤，一侧为7 m 小煤柱及采空区。采用摩尔-库伦模型，模型边界尺寸为400 m×180 m×65 m。模拟时首先进行邻近采空区的开挖，之后进行巷道的开挖。为确定最优的支护参数，在原支护设计的锚网支护基础上，分别设计4 种锚索长度、4 种桁架跨度、4 种桁架偏心距条件下的锚索桁架支护方案，根据模拟结果对比分析进而确定最优参数。首先进行锚索长度的优化研究，设计锚索长度分别为6 m、7 m、8 m、9 m，各锚索长度条件下巷道围岩塑性区分布及表面变形量如图2。

根据巷道围岩塑性区分布可以看出，随着锚索长度的增大，巷道顶板及两帮围岩塑性破坏区分布范围逐渐减小。锚索长度为6 m 时，巷道围岩塑性破坏范围很大，顶板最深处为3.4 m，实体煤帮最深处为2.0 m；锚索长度为7 m 时，巷道围岩塑性区分布范围显著减小，尤其是巷道实体煤侧肩角处，但顶板最大破坏高度仍达到3.8 m；锚索长度为8 m时，围岩塑性破坏区相对于锚索长度7 m 条件下显著减小，顶板最大破坏深度为2.4 m，实体帮部最大破坏深度2.0 m；锚索长度为9 m 时，巷道围岩塑性破坏区分布与8 m 时基本无明显差异，说明锚索长度为8 m 较合理。根据巷道表面变形量变化规律可知，随着锚索长度增大巷道表面变形量减小，当锚索长度由7 m 增大为8 m 时，巷道表面变形量减小非常明显，锚索长度增大为9 m，表面变形量减小不明显，由此说明锚索长度8 m 最为合理。

同理进行桁架锚索跨度1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m 条件下及桁架偏心距200 mm、300 mm、400 mm、500 mm 条件下的模拟分析，根据模拟结果整理得到围岩变形随参数变化规律如图3。可以看出，随着桁架锚索跨度、偏心距的增大，围岩变形呈现出先减小、后增大的趋势。桁架跨度1.6 m、偏心距为400 mm 为围岩变形量曲线的拐点，此时巷道围岩整体变形最小，支护效果最佳，因此建议桁架锚索跨度1.6 m、偏心距400 mm。

图3 桁架跨度、偏心距对围岩变形影响模拟结果

4 应用实践及效果分析

4.1 15502 回风顺槽非对称支护方案

基于对15502 回风顺槽支护方案优化研究结果，设计锚索桁架布置参数：锚索规格Ф17.8 mm×8250 mm，每排3 根，间排距1600 mm×1800 mm，锚索间采用16#槽钢制作的桁架，长3700 mm。具体支护形式如图4。

图4 15502 回风顺槽支护方案（mm）

4.2 效果考察

15502 回风顺槽在距开口300 m 处开始采用锚索桁架非对称支护技术。为掌握该支护方案现场工况，设置综合矿压监测站，整理监测数据得到巷道表面变形曲线及锚杆、锚索载荷变化曲线如图5。分析可知，巷道支护完成后，表面变形量随着距迎头距离增大而快速增加，距迎头40 m 时增速开始放缓，距迎头55 m 以后，表面变形量基本平稳不再变化，两帮最大移近量128 mm，顶底板最大移近量74 mm，控制效果良好；锚杆、锚索载荷在支护完成后先迅速增大而后轻微减小并稳定，锚索载荷峰值小于150 kN，锚杆载荷峰值小于90 kN，均在其设计承载能力范围内，工作性能良好。综上可得，锚索桁架非对称支护方案对15502 回风顺槽围岩控制效果良好。

图5 掘巷阶段矿压监测结果

5 结语

以兴峪煤矿15502 回风顺槽窄煤柱沿空掘巷为工程背景，通过现场调研，现有支护条件下围岩表现为显著的不对称变形特征，无法有效控制围岩变形破坏。提出采用高强预应力锚索桁架进行支护，通过数值软件模拟巷道的开挖支护，确定锚索最佳长度8 m，桁架锚索最佳跨度1.6 m、最佳偏心距400 mm。应用实践期间进行矿压监测，巷道表面收敛变形很小，锚杆、锚索载荷稳定，工作性能较好，取得良好支护效果。