動壓巷道高預應力桁架錨索加固支護技術研究

仲建平，陳力慧，楊永康

（1.山西中煤華晉能源有限責任公司王家嶺煤礦,山西河津 043300；2.太原理工大學采礦工藝研究所，太原 030024）

動壓巷道高預應力桁架錨索加固支護技術研究

仲建平1，2，陳力慧1，2，楊永康2

（1.山西中煤華晉能源有限責任公司王家嶺煤礦,山西河津 043300；2.太原理工大學采礦工藝研究所，太原 030024）

王家嶺煤礦20102工作面回風巷受相鄰20104工作面采動影響，巷道頂板下沉，底板鼓起，兩幫鼓出，巷道變形較大，嚴重影響礦井安全生產。為了有效控制巷道變形，通過理論分析，數值模擬研究，采用了新型高預應力桁架錨索支護手段；現場工業性試驗表明，高預應力桁架錨索支護提高了巷道圍巖強度，有效地控制了動壓巷道變形。

動壓巷道；桁架錨索；支護技術

1 工程概況

圖1 20102工作面平面示意圖

王家嶺煤礦20102工作面回風巷北部為正在開采的20104工作面，煤層平均厚度6.52 m，煤層普氏系數f=1.5，煤層傾角平均3°，埋深240 m～310 m，地面為田地溝谷。20104工作面采用綜合機械化放頂煤開采，采高3 m，相鄰工作面間的保護煤柱寬度19.4 m，工作面布置見圖1。20102工作面回風巷為典型的動壓巷道，高×寬為3 550 mm×5 200 mm，采用錨網索聯合支護，沿底板掘進，屬于迎采動掘進。其中，20102回風巷受20104工作面回采影響段，巷道頂板下沉，底板鼓起，兩幫片幫，部分地段頂板切頂，錨索拉斷，巷道變形嚴重，修復工程量大且給安全生產帶來嚴重威脅。為防止受采動影響巷道變形損壞，提前對20102回風巷進行加固。

2 動壓巷道變形機理分析

20102 工作面回風巷為開掘之前煤巖體處于彈性變形狀態，煤體垂直應力為上覆巖層的重量，巷道開掘后原巖應力重新分布，巷道內出現應力集中，此時若圍巖應力小于煤層強度，圍巖處于彈性狀態，如果圍巖應力大于煤層強度，巷道圍巖就會產生塑性變形，從巷道的深部擴展到一定范圍，此時巷道周圍就出現塑性變形區，為彈塑性介質，將巷道近視為圓形，巷道圍巖應力分布見圖2[1-2]。

圖2 圍巖巷道應力分布

20102 回風巷支護后處于穩定階段時，巷道圍巖應力也處于在極限平衡狀態，此時若受到20104工作面采動影響，在采動外力的影響下，20102回風巷圍巖出現應力集中，從力學角度分析，集中應力表現為較大的應力偏張量，促使巷道圍巖沿著圍巖弱面破壞，即向破碎區域擴展，將一部分彈性區域進入塑性區，擴大了塑性區的范圍，同時塑性區在集中應力的作用下產生流動擠壓力，迫使一些塑性區的圍巖進入峰后狀態變成破碎區，使得破碎范圍擴大，巷道表面位移變大，巷道損壞變形。此時破碎區域圍巖得不到有效支護，將進一步惡化，擴大塑性區、破碎區，巷道變形加重，巷道圍巖分區見圖3[3-5]。

圖3 巷道圍巖分區圖

巷道破碎區里的圍巖穩定性差，支護體系的作用和受采動影響的程度是決定破碎區圍巖能否長期穩定的關鍵因素。因此，增加20102回風巷圍巖支護強度，提高巷道支護體系整體支護強度來抑制巷道破壞變形力，是控制巷道變形的關鍵所在。

3 新型高預應力桁架錨索主動支護機理

考慮20102回風巷地質條件，煤層脆，抗壓能力差，頂煤整體破碎，頂煤和直接頂已經發生離層，難以形成整體結構，需在水平和垂直方向同時提供主動支護。高預應力桁架錨索支護能在巷道頂板的水平和鉛垂方向同時提供擠壓應力的預應力支護結構[6-7]，它克服了單體錨索支護不能提供水平張緊力的缺陷，從而使得錨固區內的煤巖體處于多維擠壓狀態，高預應力桁架錨索支護新結構由預應力高強度鋼絞線、專用桁架連接器和鎖具組成，見圖4。

圖4 新型桁架錨索支護結構原理圖

鋼絞線預拉力桁架是將處于受壓狀態的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點和承載結構的基礎，采用高預拉力對拉并鎖緊兩根鋼絞線，直接作用于頂板淺部的圍巖，提供水平預應力改善頂板的應力狀態，強化低位巖體的力學性能和提高其抗變形性能，控制層狀頂板的不協調變形。桁架錨索是一種能在巷道頂板的水平和鉛直方向同時提供擠壓應力的主動支護結構，從而使得錨固區內的煤巖體處于鉛直擠壓和水平擠壓的雙向應力狀態，桁架錨索系統預緊力引起的主動支護力使巷道頂板產生向上的垂直位移趨勢，減小或抵消頂板的下沉和離層。在巷道頂板的彎曲和下沉變形過程中，錨索受到的拉應力增加，錨固區內的煤巖體受到的擠壓力也隨之增加[8-9]。

4 加固支護方案

20102 回風巷加固頂板采用φ20 mm×2 500 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距900mm×900mm，采用兩根1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線φ17.8 mm×9 300 mm，桁架錨索系統底部跨度2 100mm，孔口幫距1 550m。桁架角度：錨索鉆孔與頂板垂線的夾角為15°，具體支護見圖5。

圖5 桁架錨索聯合加固支護方案

5 加固效果分析

5.1數值模擬分析

采空FLAC3D數值模擬加固支護效果見圖6，由圖可以看出，經受側向高支承壓力及動壓作用區巷道頂板的塑性區由中間向兩邊逐漸減小，巷道中部塑性區深度在3m左右，兩邊深度最小僅為0.3 m。巷道兩幫的塑性區分布比較均勻，深度在2m左右。巷道底板的塑性區深度為2m。巷道圍巖的剪切應力最大為-5.1 MPa，在巷道四個幫角處出現應力集中。在現有支護條件下，巷道垂直應力在頂板的拉應力區基本消失，最大拉應力出現在底板，僅為0.2MPa。垂直應力在距兩幫2.7 m左右產生應力集中，最大為-13.1MPa。頂板垂直位移在中部最大，為0.06m。巷道兩幫及底板的垂直位移較小，底鼓量為0.02 m。水平位移在巷道兩幫的中部最大，變形量為0.07m。綜上可知，巷道的塑性區、剪切應力、垂直應力、垂直位移、水平位移均在合理的范圍內，控制效果良好，支護方案合理。

圖6 桁架錨索支護模擬圖

5.2巷道支護效果分析

對加固巷道進行布點觀測，測點平均變形量見圖7，由圖可以看出在20102工作面回采尚未被20104工作面采動影響時，20102回風巷道頂板下沉量和兩幫移近量都比較小，在40mm左右，而在隨著工作面的推進測站逐漸進入20104工作面支承壓力影響范圍，20102回風巷頂板下沉量和兩幫移近量都劇烈增大，變形較大，達到160 mm左右，并且變形逐漸變緩，趨于穩定。可見，在20102回風巷采用高預應力桁架錨索支護可以有效控制巷道變形，保證動壓巷道圍巖穩定。

圖7 加固后巷道表面位移變化曲線圖

6 結論

1）王家嶺礦20102回風巷受相鄰20104工作面采動影響下，巷道變形嚴重。

2）增加20102回風巷圍巖支護強度，提高巷道支護體系整體支護強度來抑制巷道破壞變形力，是控制巷道變形的關鍵所在。

3）桁架是拉緊的鋼絞線與頂板形成線接觸，作用范圍大，松散破碎頂板受力狀態好。

4）高預應力桁架錨索支護能在巷道頂板的水平和鉛垂方向同時提供擠壓應力的預應力支護結構，桁架施加的水平預拉力可以改善頂板的應力狀態，在巷道頂板內產生一對對稱彎矩，減小由于頂板彎曲而產生的拉應力區，使其向壓應力狀態轉化，這對改善頂板的穩定性有著重要的作用。

5）通過數值模擬分析，加固后的巷道的塑性區、剪切應力、垂直應力、垂直位移、水平位移均在合理的范圍內，控制效果良好；現場工業性試驗觀測結果顯示巷道表面位移得到有效控制，保證了巷道圍巖穩定性。

[1]陳炎光，陸十良.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，1994.

[2]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[3]張向陽.動壓影響下大巷圍巖變形機理與卸壓控制研究[D].淮南：安徽理工大學，2007.

[4]許巖.動壓巷道圍巖破壞機理及其控制研究[D].西安：西安科技大學，2009.

[5]馬元,靖洪文,陳玉樺.動壓巷道圍巖破壞機理及支護的數值模擬.采礦與安全工程學報[J].2007(3):109-103.

[6]趙洪亮,姚精明,何富連,等.大斷面煤巷預應力桁架錨索的理論與實踐[J].煤炭學報,2007(10):1061-1065.

[7]羅立強,王衛軍,余偉健，等.高應力軟巖巷道預應力桁架錨索支護技術[J].湖南科技大學學報(自然科學版)，2012（1）:17-22.

[8]康榮，何富連，李宏彬.桁架錨索在碎裂頂板巷道支護中的應用[J].煤炭科學技術,2010(5):28-30，33.

[9]楊彥宏,何富連,謝生榮,等.預應力桁架錨索系統力學分析與工程實踐[J].煤礦安全，2010(6):51-53.

（編輯：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，江蘇無錫人，碩士，工程師，從事煤炭開采技術管理工作。