錨索桁架支護在軟巖煤巷掘進中的應用

史長軍

（同煤集團四老溝煤礦，山西 大同 037003）

1 概況

大同煤礦集團四老溝煤礦8106工作面頂抽巷位于主運大巷東北部，東部為8102工作面，北部、西部未開拓，上覆有該礦侏羅系4#、11#采空區。8106工作面頂抽巷設計長度為1388m，已由機掘一隊施工215m，剩余1173m。巷道設計斷面為寬×高=3.5×3.0m，巷道沿3～5#石炭系煤層掘進，無偽頂，直接頂主要以炭質泥巖及煤混合層為主，平均厚度為4.5m，其中煤層厚度為0.8m；基本頂主要以粉砂巖為主，平均厚度為8.9m。

8106頂抽巷初步設計中，頂板采用錨桿、錨索、金屬網、鋼帶進行聯合支護，巷幫采用單錨桿支護。由于8106頂抽巷與上覆4#、11#層采空區層間距為11.2m，受采空區壓力影響，巷道在掘進時頂板壓力集中現象明顯，在前期掘進過程中頂板出現局部破碎及下沉現象，巷幫移近量加大，頂板最大下沉量達0.47m，巷幫最大移近量達0.56m。為保證巷道掘進安全，機掘一隊采用架設工字鋼棚及注漿進行加強支護，通過實際應用發現，架棚后頂板下沉速度雖然得到有效控制，但隨著頂板裂隙延伸，頂板破碎范圍擴大，頂板仍繼續下沉。在支設完鋼棚及注漿15d后頂板下沉量達0.54m，巷幫移近量達0.68m，部分鋼棚頂梁出現彎曲、斷裂現象。

2 原支護方案效果不好的原因分析

（1）巷道掘進后頂板形成承載梁結構，通過施工錨桿、錨索對承載梁進行加固，從而提高頂板穩定性，而錨桿、錨索主要通過懸吊作用及組合梁加固作用對頂板加固，且錨固端應位于頂板堅硬巖體內。8106頂抽巷直接頂主要以炭質泥巖、煤混合層為主，厚度為4.5m，受壓影響該區域巖體出現破碎現象形成松動圈，而巷道設計錨桿長度為2.5m，錨固端位于松動圈內，無法對頂板承載梁結構起到懸吊和組合梁加固作用，而錨索為點性支護結構，無法對大范圍頂板起到支護作用。

（2）在應力區巷道掘進時，巷幫與頂板存在錯動的水平剪切力，這是造成巷幫位移的主要原因，采用單一錨桿支護時只是對巷幫局部進行維護，無法消除巷幫水平應力。

（3）應力集中區巷道掘進時采用鋼棚、注漿等聯合支護，不僅施工工序繁瑣，還加大了勞動強度，而且支護費用高，支護效果差。根據8106頂抽巷前期支護現狀分析發現，巷道掘進量僅為3.2m/d，單米巷道支護成本費用達470元。

3 錨索桁架支護方案

3.1 頂板桁架原理

桁架支護主要是在巷道頂板或巷幫穩定區施工傾角支護體，通過安裝桁架連接器，使支護體之間形成閉鎖結構，并與頂板或巷幫進行線或面接觸，從而形成垂直巖體的承載力，削弱應力作用，提高巖體穩定性，同時可防止支護失效，如圖1所示。

圖1 煤巷頂、幫桁架支護原理示意圖

3.2 頂板桁架支護材料選取

8106頂抽巷桁架支護體選取長度為6.5m、直徑21.6mm高強度預應力鋼絞線，頂板桁架選取長度為2.0m、直徑30mm圓鋼，頂板連接器選用特制的四孔張拉器，幫部桁架選取長度為1.6m、直徑為30mm圓鋼，連接器采用雙孔張拉器。

3.3 頂板桁架支護設計

（1）8106頂抽巷頂板采用交叉式桁架支護。首先分別在距巷幫0.5m處施工兩組肩角錨索，每組兩根，錨索與頂板呈60°夾角，每根錨索采用三支錨固劑錨固，錨固后錨固力不得低于170kN，錨索外露長度為0.25m。兩組肩角錨索間距為2.0m，施工在頂板鋼帶中間。

（2）在相鄰兩組肩角錨索外露端安裝圓鋼托架，并采用四孔張力器交叉預緊，預緊力不得低于150kN，相鄰兩組交叉桁架支護間距為2.0m。

（3）在相鄰兩組交叉桁架支護中間施工一組對拉桁架支護，施工工藝及技術要求與交叉桁架支護相同，如圖2所示。

3.4 巷幫桁架支護

（1）8106頂抽巷幫部采用縱橫交錯式桁架支護，縱向桁架支護分別在幫部距頂板0.5m，距底部0.8m處分別施工兩根傾角錨索，根據實驗發現，傾角錨索與巷幫呈45°～55°左右時效果最好。傾角錨索施工完后，采用雙向拉緊器進行預緊，預緊力不得低于100kN，縱向桁架支護間距為2.0m，桁架支護長度為1.6m，如圖2所示。

（2）縱向桁架支護施工完后，在相鄰兩根縱向桁架支護之間施工兩根橫向桁架支護，第一根施工在距頂板0.6m處，第二根施工在距頂板2.1m，橫向桁架支護長度為1.8m。

圖2 8106頂抽巷頂板、巷幫桁架支護平面示意圖

4 效果

（1）8106頂抽巷頂板及幫采用桁架支護后，有效阻止了頂板下沉、巷幫移近現象，頂板最大下沉量僅為0.14m，巷幫最大移近量僅為0.22m。

（2）與架棚、注漿支護相比，采用桁架支護后，8106頂抽巷在掘進時可降低單米巷道支護費用至210元，而且降低了支護勞動強度，簡易了支護工序，減少了巷道維護時間，提高了巷道掘進速度，在后期巷道掘進時平均掘進量達8.7m/d。

（3）通過實際應用發現，桁架支護技術能夠有效控制巷道頂板下沉、離層、巷幫松散變形等現象，在深井高應力軟巖巷道圍巖關鍵部位加固等復雜條件下的應用具有很強的靈活性和針對性。