復(fù)合頂板高應(yīng)力桁架錨索支護技術(shù)研究

孔憲法

(大同中煤進出口煤基地建設(shè)有限公司，山西 大同 037000)

晉華宮礦部分煤層頂板條件復(fù)雜，上覆頂板含有若干層軟弱夾層，圍巖破碎，屬于復(fù)合破碎頂板巷道。對于此類頂板，部分地段煤巷掘進出來就出現(xiàn)較劇烈的變形和破壞，半年后兩幫明顯內(nèi)移，變形嚴重，不得不架棚返修。因此，如何解決此類復(fù)合頂板支護難題，尋求科學(xué)合理的支護方案迫在眉睫。目前，關(guān)于復(fù)合頂板巷道的研究多集中在冒頂機理和圍巖控制方面[1-3]。柏建彪等[4]針對復(fù)合頂板極軟煤層巷道變形劇烈問題，提出了采用“注漿加固兩幫、頂板采用樹脂全長錨固高強度錨桿和小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索加強支護及兩幫樹脂加長錨固錨桿支護”的圍巖控制方案；李磊等[5]研究了復(fù)合頂板沿空巷道的圍巖控制整套技術(shù)，即噴漿封閉圍巖+高強度預(yù)應(yīng)力錨桿支護、底角錨桿、二次支護+向采空區(qū)傾斜錨索增強基本頂關(guān)鍵塊穩(wěn)定性。但是這些方法不具有普適性。

本文以晉華宮礦為背景，提出了“錨桿-單體錨索-桁架錨索”三階梯次支護，制定了2709巷新型桁架錨索三階梯次支護控制方案，分析了作用效果。以期為類似復(fù)合頂板條件下的圍巖控制提供借鑒。

1 晉華宮礦2709運輸巷原支護方案及改進

晉華宮礦2709運輸巷原來的支護方案為錨帶網(wǎng)索結(jié)構(gòu)支護。該支護方式是在錨帶網(wǎng)支護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了錨索支護。錨索的作用在于補強，可通過錨索進一步提高錨桿支護形成的錨固體的穩(wěn)定性，確保巷道安全。但普通的單體錨索仍不能破解復(fù)合型頂板支護難題，2709運輸巷采用錨帶網(wǎng)索結(jié)構(gòu)支護后，初期取得一定支護效果，但半年后兩幫明顯內(nèi)移，頂板下沉變形嚴重，不得不架棚返修。這不僅浪費了大量的物力人力，也影響了工期和采面接替，有的甚至發(fā)生了垮冒等嚴重事故。

使用原先的錨帶網(wǎng)索支護很難控制住圍巖的破裂變形，為了控制復(fù)合頂板變形下沉，減少架棚支護工程量，在原錨帶網(wǎng)索支護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了增加高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護結(jié)構(gòu)。高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力高強度鋼絞線、鎖具、專用桁架連接器以及錨固劑組成。桁架的最大特點是可施加較大的預(yù)緊力，改善頂板應(yīng)力狀態(tài)，消除頂板彎曲變形引起的拉應(yīng)力，使頂板處于受壓狀態(tài)。錨固區(qū)巖層與桁架錨索支護組成強大的“倒梯形”閉鎖結(jié)構(gòu)，見圖1。該結(jié)構(gòu)不僅對巷道形成保護作用，也對巷道上覆巖層形成的“大結(jié)構(gòu)”起到保護作用，防止“大結(jié)構(gòu)”產(chǎn)生破壞或發(fā)生失穩(wěn)，發(fā)揮完整的“大結(jié)構(gòu)”對巷道積極的保護作用，抑制破壞或失穩(wěn)的“大結(jié)構(gòu)”對巷道強大來壓破壞的副作用?？梢哉f，錨固區(qū)巖層與桁架錨索形成的“小結(jié)構(gòu)”對整個上覆巖層的運移起到了良好的控制作用，從而可以對開挖時巷道空間進行長時間的保護。

圖1 桁架錨索支護原理

2 晉華宮礦復(fù)合頂板“錨桿-單體錨索-桁架錨索”三階梯次支護

復(fù)合頂板巖層組中軟弱煤巖層極易發(fā)生離層變形，巷道圍巖變形量和變形速度很大。針對晉華宮礦復(fù)合煤層頂板難以維護的特點，改進錨桿支護懸吊理論，應(yīng)用頂板三階梯次桁架錨索支護技術(shù)理論，如圖2所示。

圖2 巷道圍巖階梯式立體支護示意

一階支護：首先采用錨桿支護，在巷道頂板淺部圍巖造殼，對巖層組下部薄煤層或軟弱巖層進行及時補強。

二階支護：在錨桿群形成的錨固體基礎(chǔ)上補打普通單體錨索，如此可確保頂板中部軟弱煤巖的穩(wěn)定性，使其自身錨固結(jié)構(gòu)可以擴展到中部巖層。

三階支護：在中部錨固結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再補打桁架錨索，如此可將二階支護中的錨固體再向深部傳遞擴展，從而增大錨固范圍。這樣在錨桿、普通錨索與桁架錨索的逐步補強過程中，可使圍巖錨固承載體的范圍與深度大幅增加，從而有效控制復(fù)合頂板的圍巖變形破壞。

頂板三階梯次支護技術(shù)，逐段分步錨固復(fù)合頂板中的軟弱煤巖層，將巷道的受力狀態(tài)恢復(fù)至原始的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，并且盡量縮小圍巖中的三向應(yīng)力差值，最終使巷道圍巖整體加固，形成超強承載結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)圍巖整體穩(wěn)定性和自承能力的目的。巷道頂板不因某一層的變形、失穩(wěn)而影響整個巖層組的穩(wěn)定。

3 2709巷新型桁架錨索三階梯次支護控制方案

晉華宮礦2709運輸巷為矩形斷面，寬4.5 m，高2.8 m。巷道頂板為復(fù)合型較破碎頂板。對于較厚的復(fù)合型頂板，由于錨桿錨固深度有限，如果錨桿錨固范圍之外圍巖產(chǎn)生離層或破壞，就會導(dǎo)致頂板下沉，甚至造成巷道的垮落破壞。因此，僅僅采用錨桿支護不能保證復(fù)合型煤巷頂板的穩(wěn)定性。因此，決定采用新型高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護進行試驗，工業(yè)試驗長度為150 m。在普通錨桿支護基礎(chǔ)上，又增加了桁架錨索的補強措施，錨索施加的強大預(yù)緊力有效控制了頂板的變形破壞，從而發(fā)揮了懸吊理論控制復(fù)合頂板的作用。2709運輸巷具體支護形式及支護參數(shù)如圖3所示。

圖3 2709巷桁架錨索支護方案(150 m試驗段)

2709巷復(fù)合頂板采用普通錨索+桁架錨索的聯(lián)合支護，具體為：桁架錨索與普通錨索間隔布置，桁架錨索排距較遠，為6 m，在桁架錨索之間補打2根普通錨索，普通錨索的排距為2 m，從而組成“2-1-1-2”的布置方式，即在2排桁架錨索之間補打2根普通錨索。兩種錨索的具體布置參數(shù)如下：

1) 桁架錨索：直徑15.24 mm，長9.3 m，由7股高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成。鉆孔直徑28 mm，孔深9 m。錨固方式為端頭錨固，采用1支K23/60快速和2支K23/60中速樹脂藥卷錨固，錨固長度為1.8 m。桁架錨索間距2.1 m，距幫1.2 m，與鉛垂線夾角為15～20°。需要注意的是，當(dāng)安裝好桁架錨索后，需要采用專用連接器將2根桁架錨索連接，并鎖緊。1 h后采用千斤頂張拉預(yù)緊力至120 kN。

2) 普通錨索：直徑15.24mm，長6.3m，由7股高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成。鉆孔直徑28mm，孔深6m。錨固方式為端頭錨固，采用1支K23/60快速和2支K23/60中速樹脂藥卷錨固，錨固長度為1.8m。普通錨索布置在兩組桁架錨索之間，且位于巷道中心，排距2m，每排1根。

2709巷采用新型桁架錨索三階梯次支護后，頂?shù)装逡七M量由624 mm減小至217 mm，兩幫移進量由758 mm減小至326 mm，圍巖得到有效控制。

4 結(jié) 語

本文針對晉華宮礦2709運輸巷復(fù)合頂板提出了“錨桿-單體錨索-桁架錨索”三階梯次支護，該支護方式有效控制了頂板下沉、兩幫移近、圍巖破壞等礦壓顯現(xiàn)問題，為晉華宮礦巷道安全高效掘進提供了有力保障，也為同類型復(fù)合頂板巷道支護提供了借鑒。