預應力桁架錨索支護與普通錨索支護的對比研究

張志剛

（同煤集團四老溝礦技術科， 山西 大同 037001）

引言

煤礦巷道的支護效果和質量直接決定工作面是否能夠安全生產。目前，綜采工作面巷道以錨桿錨索聯合與鋼帶的聯合支護為主，但是在實際支護過程中由于支護參數設計不合理以及施工質量不佳，導致最終支護強度不夠，進而導致巷道頂板支護失效、鋼帶出現折斷等現象。為此，隨著對工作面巷道掘進的推進，工作面巷道受到動壓的周期性影響，需及時對支護施加一定量的預緊力，保證頂板能夠充分發揮其主動支護的作用[1]。本文著重對預應力桁架錨索支護的應用進行研究，具體闡述如下。

1 工程概況

某煤礦的設計生產能力為60 萬t/年，該煤礦切眼跨度的寬度范圍在8.6～10.6 m 之間，切眼高度為3.6 m，該煤礦的服務年限設計為40 年。本文將研究預應力錨桿錨索聯合支護方案在某煤礦的應用效果，并與普通錨索錨桿聯合支護的應用效果進行對比。以某煤礦的1301 工作面為研究對象，該工作面共包含有可開采煤層3 號煤層和4 號煤層。且3 號和4 號煤層的頂底板主要成分以砂質泥巖、泥質灰巖和粉砂質黏土巖為主。107 工作面的頂底板情況如表1 所示。

表1 107 工作面頂底板情況

經分析可知，1301 工作面屬于不穩定巖層，因此在實際掘進和開采過程中需注重對巷道頂板的支護設計。

2 支護現狀分析

目前，1301 工作面所采用的支護方式為普通錨索錨桿+鋼帶的聯合支護。在實際生產過程中需對工作面圍巖的變形情況進行監測，并得出如下結果：1301 工作面頂板的變形量和變形率較高，具體表現為：1301 工作面采用普通錨索錨桿+鋼帶的聯合支護掘進1 個月后，工作面頂板的總下沉量約為500 mm，工作面頂板的變形率約為17.5 mm/d。

經統計，1301 工作面的失效形式主要表現為頂板錨桿失效、部分錨索被拉斷、鋼帶被折斷。綜合表現為在巷道掘進過程中需后期維護的工作量較大，嚴重制約了工作面的掘進和生產效率。1301 工作面的頂板、兩幫圍巖變形如圖1 所示。

圖1 1301 工作面圍巖變形監測結果

如圖1 所示，在巷道掘進初期工作面頂板和兩幫的變形速度在第一天達到最大值，分別為62 mm和27 mm，隨著工作面的推進其變形速率逐步降低并趨于穩定；巷道頂板和兩幫的變形量隨著工作面的推進不斷增高，并在生產50 d 后頂板變形量最大，達到700 mm，兩幫變形量最大達到330 mm。

3 預應力桁架錨索與普通錨索支護機理對比

與普通錨索不同的是，預應力桁架錨索對巷道加固原理為，在基礎錨索與錨固劑聯合黏結作用的基礎上，通過在端部錨頭擠壓的作用下對巷道的圍巖提供長期有效的張拉力，進而達到實現圍巖錨固的關鍵位置。為此，將預應力桁架錨索支護手段應用于1301 工作面的支護中。

總的來說，預應力桁架錨索支護一方面可以與工作面頂板在空間位移上達到位移變形相互協調的目的；另一方面在預應力桁架錨索支護的作用下保證支護強度與圍巖的頂板和兩幫的來壓相互匹配[2]。

4 預應力桁架錨索支護方案的設計

預應力桁架錨索支護主要由桁架連接器、高強度鋼絞線、錨具以及反扣裝置等組成[3-4]。

針對1301 工作面的特征，本文選用新型連接器作為其桁架連接器，該連接器能夠在水平和垂直方向同時提供足夠的預應力，進而達到改善工作面圍巖在水平和垂直方向的應力狀態，使工作面圍巖能夠達到應力平衡的狀態。結合1301 工作面的實際情況，選用14a 槽鋼的預應力桁架的結構。

本設計是結合1301 工作面的實際情況對桁架錨索長度、桁架錨索預應力、桁架錨索角度、桁架錨索孔口幫距以及頂板錨桿的間距等參數進行優化設計和確定。為保證所得預應力桁架錨索支護參數、最終的支護效果和質量為最佳，本文采用正交試驗的方法對上述參數進行最優選取[5]，結合1301 工作面的情況及設計經驗，各個參數的取值如表2 所示。

基于FLAC3D 軟件采用控制變量的原則，對工作面頂板下沉量、兩幫水平位移以及底鼓變形量等圍巖控制量進行綜合考評，最終確定出最佳預應力桁架錨索支護參數的組合。經優化仿真，最終所得的最佳支護參數如下：桁架錨索的預應力為120 kN，桁架錨索角度為45°，桁架錨索長度為7 100 mm，錨索孔口間距為800 mm，頂板錨桿間距為800 mm。

表2 預應力桁架錨索支護參數取值

5 預應力桁架錨索支護效果驗證

在對預應力桁架錨索支護參數優化設計的基礎上，最終對1301 工作面的預應力桁架錨索錨桿+鋼帶的聯合支護參數設計如下：

1）工作面頂板所采用預應力桁架錨索支護的間排距為1.6 m，錨索的長度為7.1 m。

2）工作面頂板所采用錨桿的直徑為20 mm，錨桿長度為2 000 mm，錨桿的間距為800 mm，錨桿的排間距為800 mm；工作面所采用錨桿的參數與頂板一致。

3）工作面頂板所采用的金屬網片由12 號鐵絲制成，并為其配置直徑為10 mm 的鋼筋梁。

將上述支護參數分別體現于1301 工作面的支護實施中，并在工作面選取3 個監測點，對采用預應力桁架錨索支護后工作面的圍巖控制效果進行為期兩個月的監測，監測結果如圖2 所示。

圖2 預應力桁架錨索支護效果（頂板）

如圖2 所示，基于預應力桁架錨索支護后，工作面頂板的最大變形量由之前的700 mm 降低至196 mm（3 號測點）。且采用預應力桁架錨索支護后，1301 工作面在17 d 后達到應力平衡狀態。

6 結論

1）結合1301 工作面的情況，其對應的最佳預應力桁架錨索支護的參數為：桁架錨索的預應力為120 kN，桁架錨索角度為45°，桁架錨索長度為7 100 mm，錨索孔口間距為800 mm，頂板錨桿間距為800 mm。

2）經實際支護監測數據可知：采用預應力桁架錨索錨桿+鋼帶聯合支護后，頂板和兩幫的圍巖得到明顯控制，且在工作面推進過程中未出現巖層離層的現象。