東曲礦28206工作面開切眼桁架錨索支護技術(shù)研究與應(yīng)用

馬建紅

（西山煤電集團東曲礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

山西西山煤電東曲礦28206工作面開切眼主要用于采煤設(shè)備的安裝，并連接兩順槽形成生產(chǎn)系統(tǒng)和通風系統(tǒng)，該切眼巷道8#煤煤層厚度約3.5m，煤層結(jié)構(gòu)復雜，煤層傾向南西，平均傾角3°，煤層直接頂為泥灰?guī)r，均厚1.65m，基本頂為石灰?guī)r，均厚2.93m，直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚6.88m。

28206工作面開切眼設(shè)計斷面為矩形斷面，切眼斷面寬度9.5m，高度3.5m，采用兩次成巷的施工方式進行施工，第一次施工矩形斷面5.5m×3.5m，待第一橫開切眼施工完之后再刷大到設(shè)計要求斷面，切眼采用錨桿索支護，第一次掘進導硐頂板及負幫錨桿間排距為800mm×800mm，錨桿預緊力大于70kN，頂板錨索間排距為1600mm×800mm，頂板鋼筋梯子梁規(guī)格為5000mm×80mm，擴幫作業(yè)時頂板錨桿和錨索參數(shù)與導硐頂板支護參數(shù)相同，擴刷正幫錨桿的間排距為800×800mm，在擴幫作業(yè)時，同時在擴幫迎頭前方50m范圍支設(shè)π型梁+單體柱，采用“一梁三柱”布置，單體柱距離鋼梁端頭距離為100mm，一梁三柱的間距為1600mm，具體開切眼的支護形式如圖1所示，開切眼在現(xiàn)有支護方式下圍巖變形量較大，其中頂板下沉量較為明顯，兩幫破碎嚴重，急需對巷道開切眼的支護參數(shù)進行優(yōu)化。

圖1 28206工作面開切眼支護形式斷面圖

2 復合錨索桁架控制技術(shù)

復合錨索桁架控制技術(shù)主要是依據(jù)錨索桁架支護的原理，依據(jù)單式錨索作為支護的基本單元，基于其力學作用和設(shè)計方法，采取單循環(huán)或者雙循環(huán)的方式，在間隔一定排距的基礎(chǔ)上，在巷道不同斷面上設(shè)計成錯位重疊布置的方式，充分利用巷道頂板巖體的自身承載性能及力的傳遞作用，進而有效增強巷道圍巖的穩(wěn)定性，以此形成提高支護質(zhì)量的支護方式[1-2]，具體復合錨索桁架控制技術(shù)的布置方式如圖2所示。

針對大斷面巷道采用的普通錨網(wǎng)索、單式錨索桁架等支護方式，復合錨索桁架所具有的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）該種支護對巷道頂板提供的水平力較為均勻，且較為合理，該種支護控制技術(shù)錨索桁架的三組錨索桁架分別布置在巷道中部及兩側(cè)，錨索桁架所能夠提供的水平力可在頂板淺部的巖層內(nèi)提供均勻的水平力。

2）復合桁架支護技術(shù)能夠?qū)Υ髷嗝娴南锏绹鷰r的穩(wěn)定性進行有效的控制，針對大斷面巷道，若僅采用單式錨索桁架、內(nèi)嵌組合方式或者反對稱結(jié)構(gòu)進行支護時，在錨索桁架的控制范圍內(nèi)無法滿足維護頂板的要求，復合錨索桁架結(jié)構(gòu)能夠使得單一的錨索桁架結(jié)構(gòu)的控制范圍相互疊加，進而使得頂板巖體之間形成一定結(jié)構(gòu)[3-4]。

3）復合錨索桁架控制技術(shù)中，桁架錨索提供的支護力較為合理均勻，三組錨索所提供的支護效果不同，其中巷道中部的桁架錨索以提供垂直方向的支護力為主，在巷道中部形成結(jié)構(gòu)，其主要控制中部區(qū)域深部巖體的穩(wěn)定；兩側(cè)桁架錨索對巷道主要提供水平力，且能夠保障錨索的錨固點在巷幫以上的位置，進而保障頂板的穩(wěn)定性；三組桁架錨索的組合支護能夠充分發(fā)揮桁架錨索的頂板大結(jié)構(gòu)特征，能夠充分發(fā)揮每個桁架錨索的作用。

圖2 復合錨索桁架支護技術(shù)示意圖

3 復合錨索桁架方案及效果

3.1 支護參數(shù)確定

為有效確定28206工作面開切眼采用復合錨索桁架支護的各項參數(shù)，根據(jù)工作面的具體地質(zhì)條件，采用FLAC3D建立數(shù)值模擬模型，模型尺寸為長×寬×高=80m×50m×40m，根據(jù)工作面頂?shù)装鍘r層的資料對煤體及巖層的力學參數(shù)進行賦值，分別對桁架錨索的長度和搭接長度進行模型分析，數(shù)值模擬中采用螺紋鋼錨桿，長度2.4m，直徑20mm，錨索采用7股高強度鋼絞線，直徑為17.8m，頂板錨桿設(shè)置13根，中間錨索的角度設(shè)置為5°邊角錨索的角度設(shè)置為15°。

3.1.1 桁架錨索長度的確定

為有效的保障復合桁架錨索控制技術(shù)的效果，現(xiàn)對桁架錨索的長度進行模擬分析，分別對桁架錨索長度為8m、9m、10m、11m和12m時巷道圍巖的受力特征進行模擬分析，具體不同桁架錨索長度下圍巖變形量的曲線圖如圖3所示。

圖3 不同桁架錨索長度下圍巖變形曲線

通過具體分析圖3可知，在桁架錨索的長度由8m增大到12m時，此時28206工作面開切眼的圍巖變形量呈現(xiàn)此處逐漸減小的趨勢，當錨索的長度由8m增大到10m時，此時頂板下沉量和兩幫的移近量分別減小25.3%和30.2%，當桁架錨索長度由10m增大到11m時，此時頂板下沉量及兩幫移近量進一步較小，但從圖3中能夠看出，當桁架錨索長度大于10m時，此時隨著錨索長度的增大，圍巖變形量的減小量相對較小，錨索長度的增大對圍巖的控制的維護效果相對較小，基于此可知，桁架錨索的長度10m為合理的長度。

3.1.2 桁架搭接長度的確定

不同桁架的搭接長度關(guān)系會在較大程度上影響復合錨索桁架控制技術(shù)的效果，基于此為確定合理的桁架搭接長度，分別對桁架搭接長度為-100mm、0mm、100mm、200m、300mm條件下圍巖的變形情況分別進行模擬分析，具體不同排桁架搭接長度下圍巖變形量如圖4所示。

圖4 不同桁架搭接長度下圍巖變形量

通過具體分析圖4可知，隨著錨索桁架搭接長度的增大，圍巖的變形量先出現(xiàn)減小的趨勢然后出現(xiàn)增大的趨勢，當桁架錨索的搭接長度從-100mm增大到200mm時，此時圍巖兩幫移近量增大了28.4%，頂板下沉量增大了22.5%，當搭接長度由200mm增大到300mm時，此時頂板下沉量和兩幫移近量分別增大了1.6%和3.2%，基于上述分析確定合理的桁架錨索搭接長度為200mm，

在頂板錨桿13根，桁架錨索長度為10m，中間錨索角度為5°，不同排桁架錨索的搭接長度為200mm時，根基數(shù)值模擬結(jié)果得出該支護下圍巖的塑性區(qū)發(fā)育，如圖5所示，圍巖塑性區(qū)發(fā)育范圍相對不大，并未波及到錨索的錨固區(qū)域，基于此可知能夠該支護能保障圍巖的穩(wěn)定。

圖5 圍巖塑性區(qū)發(fā)育范圍圖

3.2 支護方案設(shè)計

根據(jù)上述數(shù)值模擬及分析結(jié)果，并結(jié)合工作面的具體情況對28206工作面開切眼的支護方案進行具體設(shè)計：

1）頂板支護：在開切眼導硐側(cè)，頂板錨桿采用無縱筋螺紋鋼錨桿，參數(shù)為Φ20mm×2400mm，采用端頭錨固，錨桿預緊力大于200N?m，錨桿的間排距為800mm×800mm，巷道斷面內(nèi)每排布置7根錨桿，在靠近擴幫側(cè)的頂板錨桿用單體錨索代替，在靠近永久煤幫側(cè)的錨桿與垂直方向成15°布置，其余錨桿垂直頂板布置，導硐側(cè)錨索采用預應(yīng)力鋼絞線，參數(shù)為Φ17.8mm×10.3m，靠近永久煤幫側(cè)和頂板的中線的錨索分別與頂板成15°和5°布置，設(shè)置錨索預緊力為140kN，當錨索送入孔底后采用專用錨索桁架、桁架連接器及配套鎖具進行連接，設(shè)置不同排桁架錨索的搭接長度為200mm；擴幫側(cè)頂板錨桿的各項參數(shù)與導硐側(cè)相同，每排布置6根錨桿，靠煤幫側(cè)的錨桿與垂直方向成15°布置，其余錨桿垂直頂板布置，擴幫側(cè)錨索型號及支護參數(shù)同導硐側(cè)，單體錨索距離永久煤幫1.75m，排距為1600mm。

2）兩幫支護：導硐永久煤柱幫錨桿采用螺紋鋼錨桿，參數(shù)為Φ20mm×2400mm，間排距為850mm×850mm，擴幫側(cè)錨桿采用玻璃鋼錨桿，參數(shù)為Φ20mm×2000mm，間排距為850mm×850mm，頂角及底角錨桿與巷幫成5°布置，其余均垂直巷幫布置；擴幫的正幫錨桿與導硐擴幫側(cè)錨桿的型號相同，其間排距為700mm×800mm，頂角及底角錨桿與巷道成15度布置，其余垂直巷幫布置。

28206工作面開切眼最終整體支護圖如圖6所示。

圖6 28206工作面開切眼整體支護圖

3.3 效果分析

為驗證巷道支護方式的合理性，采用十字布點法對巷道圍巖變形監(jiān)測，持續(xù)觀測60天，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出如圖7所示的圍巖位移—時間曲線。

圖7 開切眼圍巖位移—時間曲線圖

通過分析圖7可知，開切眼在0～20天內(nèi)圍巖變形量較大，在支護方案實施20d后，開切眼頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平糠謩e為85mm和43mm；隨著錨索桁架支護完成天數(shù)的增大，開切眼圍巖變形量逐漸趨于穩(wěn)定，支護后20～58天范圍內(nèi),圍巖基本不出現(xiàn)變形，基于此可知圍巖已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，開切眼最終的頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為88mm和47mm。巷道圍巖變形量得到了有效控制。

4 結(jié) 論

通過分析28206工作面開切眼原有支護下存在的問題，并結(jié)合復合桁架錨索控制技術(shù)原理，確定采用復合桁架控制技術(shù)對開切眼圍巖進行控制，基于數(shù)值模擬確定合理的桁架錨索長度10m，不同排桁架錨索搭接長度為200mm，結(jié)合開切眼具體情況對各項支護參數(shù)進行具體設(shè)計，根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果知，復合桁架錨索支護技術(shù)實施后，頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為88mm和47mm，有效的保證了圍巖的穩(wěn)定。