百善礦桁架支護(hù)安全控制技術(shù)的研究與應(yīng)用

祁明峰，劉小剛

（皖北煤電集團(tuán)公司 百善煤礦，安徽 淮北235154）

1 概況

百善煤礦隨著礦井可供開采的資源日漸枯竭，多數(shù)采掘頭面都集中在提高上限區(qū)域內(nèi)施工，提高開采上限的安全開采問題，是一個事關(guān)安全生產(chǎn)的重大技術(shù)問題。而有效合理的巷道支護(hù)，可確保上限區(qū)域煤層的安全開采。因此，研究合理的巷道支護(hù)技術(shù)是百善煤礦在上限區(qū)域開采的重大核心課題，特別是變形量大、圍巖破碎以及受采動影響的難支護(hù)巷道，采用傳統(tǒng)架棚支護(hù)方式已不能有效地控制圍巖變形、頂板離層、底鼓等問題。新型巷道支護(hù)方式──桁架支護(hù)安全控制技術(shù)可大大提高圍巖自身承載能力，彌補(bǔ)現(xiàn)有支護(hù)方式的不足，是更合理、有效的支護(hù)方式。

2 桁架支護(hù)安全控制技術(shù)的原理

桁架支護(hù)屬于一種主動加固圍巖的支護(hù)形式，安裝后依靠聯(lián)接件施加的預(yù)緊力和錨索的錨固力，在頂板中形成擠壓加固層，增加頂板的抗彎能力，以提高頂板的穩(wěn)定性。隨著頂板的下沉，作用在聯(lián)接件上的工作阻力將持續(xù)增大，桁架錨索對圍巖的擠壓作用越來越大。

當(dāng)圍巖作用在桁架上的壓力增大到一定數(shù)值，即達(dá)到或超過錨索工作阻力時，錨索向外端拉伸，桁架隨即產(chǎn)生讓壓，圍巖產(chǎn)生一定的位移，圍巖應(yīng)力重新分布，作用在桁架上的壓力減少，桁架處于新的穩(wěn)定階段。當(dāng)圍巖應(yīng)力再次增大，桁架重復(fù)上述工作狀況，這樣周而復(fù)始，通過不斷改善的應(yīng)力狀態(tài)使圍巖較充分地發(fā)揮其自承能力，使桁架在穩(wěn)定─讓壓─穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。

3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計

3.1 機(jī)巷原支護(hù)方案

6415機(jī)巷采用礦用11＃工字鋼架梯形棚進(jìn)行支護(hù)。規(guī)格為3.2m×2.4m（梁×腿），棚距0.65m。

施工中發(fā)現(xiàn)，棚腿易發(fā)生彎曲變形，巷道的維修量大。2011年8月中旬～9月初，每天需抽4～5人進(jìn)行維修，給施工帶來不便。

3.2 錨網(wǎng)架索聯(lián)合支護(hù)方案

（1）錨桿規(guī)格。頂部共5根螺紋鋼錨桿，每根錨桿眼兩卷K2350型樹脂錨固劑，錨桿間排距0.8m×0.8m；每幫各3根端頭拍扁的金屬螺紋鋼錨桿，每根錨桿眼兩卷MSJHS37225型水泥錨固劑，錨桿間排距0.8m×0.8m。頂、幫鋪單層金屬網(wǎng)，網(wǎng)與網(wǎng)之間順茬搭接，壓茬不小于100mm，壓茬處每隔200mm用雙股12＃鐵絲扎緊（見圖1）。

圖1 錨網(wǎng)架索聯(lián)合支護(hù)方案斷面

（2）錨固方式。為了更好地發(fā)揮錨桿的加固作用，錨桿采用加長錨固。樹脂藥卷選用快速藥卷（K2350型、K2560型），凝膠時間41～90S，等待時間90～180S，錨桿鉆孔直徑28mm，外露50mm。

（3）桁架參數(shù)尺寸。拱形桁架在國外又稱輕型格子架，由粗細(xì)不等鋼筋或螺紋鋼焊接而成，屬于輕型支護(hù)結(jié)構(gòu)。在煤礦井下與錨噴支護(hù)配合使用，可具有較好的力學(xué)性能，且重量輕、成本低。選用螺紋鋼筋，同混凝土的握裹錨固性能強(qiáng)、強(qiáng)度高。

桁架梁結(jié)構(gòu)：梁長3.6m、腿長2.2m；有主筋、副筋、配筋、連接件和底座。連接件成鋼性連接。主筋規(guī)格Φ16～22mm，副筋規(guī)格Φ12～16mm，配筋規(guī)格Φ8～12mm，橫截面尺寸100mm×100mm。

主體結(jié)構(gòu)分為頂梁、肩弧、柱腿等部分（見圖2）。

圖2 “五段鉸接梯形”桁架尺寸及實施效果示意

（4）錨桿－桁架支護(hù)作用的特點

① 桁架由鋼筋焊接而成，整體剛性較差，不能單獨支護(hù)，更不能對圍巖實施主動支護(hù)，只有與錨桿、錨索形成聯(lián)合支護(hù)時，才能取長補(bǔ)短。

② 副筋相當(dāng)于鋼帶，易發(fā)生彎曲變形，可承受拉應(yīng)力也可承受壓應(yīng)力。

③ 副筋、錨桿和主筋三者之間共同作用時，使主筋主要承受拉應(yīng)力，同時提供給圍巖一定的擠壓應(yīng)力，彎曲變形越大，桁架結(jié)構(gòu)提供給圍巖的擠壓應(yīng)力越大，越有利于圍巖的穩(wěn)定，使巷道圍巖從不利的受拉應(yīng)力狀態(tài)變成有利的受壓應(yīng)力狀態(tài)，從而提高錨固體的強(qiáng)度。

（5）錨索。采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)，初步確定錨索間距為2.0m，排距為2.4m，平面采用平行布置（見圖3）。

圖3 錨索布置平面

錨索托板：100mm×100mm×10mm的平鋼板。鎖具1個，錨索外露段長度為200mm。

樹脂及錨固方式：利用4支Z2350中速樹脂藥卷（凝膠時間91～180S，等待時間480S）加長錨固。錨索預(yù)拉力為100kN。

4 巷道支護(hù)效果

1）采用高強(qiáng)度的螺紋鋼錨桿加長錨固加固巷道圍巖，可以使巷道圍巖形成一個整體，有效地控制巷道的基本變形。

2）通過架設(shè)桁架和鋪網(wǎng)等措施防止了巷道圍巖的較大變形，并最大限度地減少了因巷道圍巖惡化和錨桿施工造成的錨桿失效問題。

3）巷道頂板穩(wěn)定性差的情況下，在使用錨桿的基礎(chǔ)上，采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)對頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，有效地保證了巷道頂板的穩(wěn)定性。

4）上限區(qū)域煤層巷道采用高強(qiáng)度的螺紋鋼錨桿加長錨固加固巷道圍巖，架設(shè)桁架和鋪網(wǎng)等措施防止巷道圍巖的較大變形，小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)技術(shù)對頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)措施是十分有效的。

桁架支護(hù)安全控制技術(shù)目前已在百善礦6415機(jī)巷、6121風(fēng)巷施工中應(yīng)用，從施工情況看，雖然經(jīng)受了回采動壓的影響，但巷道僅出現(xiàn)表面煤層被擠碎、兜網(wǎng)，沒有掉頂現(xiàn)象。經(jīng)過將近一年的觀測沒有出現(xiàn)返修現(xiàn)象，取得了較好的支護(hù)效果，達(dá)到了預(yù)期目的。該技術(shù)為解決巷道受壓變形和快速掘進(jìn)提供了保證。