礦井巷道支護(hù)的復(fù)式錨索珩架作用機(jī)理和新型錨索桁架研究

(七臺河市不動產(chǎn)登記中心，黑龍江 七臺河 154600)

0 引言

巷道支護(hù)是為提高圍巖的穩(wěn)定性，控制圍巖過大的變形及破壞。從科學(xué)優(yōu)化和保障系統(tǒng)性安全及綜合控制考慮，必須采取有效的措施，對大跨度軟巖開切眼圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象采取綜合性防治措施。巷道布置設(shè)計(jì)時必須盡量采取回采巷道的高度低于工作面采高的方式；對圍巖的控制必須應(yīng)用“強(qiáng)幫固頂，幫頂協(xié)同控制”模式；對錨桿索支護(hù)應(yīng)該實(shí)施錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，充分發(fā)揮切服圍巖的承載能力，為工作面布置順利進(jìn)行提供可靠的保障。

1 復(fù)式錨索桁架作用機(jī)理

1.1 復(fù)式錨索桁架機(jī)理

巷道圍巖中打入錨桿索后，錨固范圍內(nèi)的圍巖構(gòu)成錨固體，巷道埋深較淺時，巷道所處地應(yīng)力小，開挖造成的應(yīng)力集中相對也較小，錨固體整體完整性較好，此時錨桿索對圍巖的錨固效果不突出；而隨著巷道埋深的增大，地應(yīng)力不斷增加，錨固體內(nèi)圍巖應(yīng)力集中越來越大，超過其強(qiáng)度就可能出現(xiàn)破壞，承載能力急劇下降，出現(xiàn)變形，同時，圍巖應(yīng)力集中往深部轉(zhuǎn)移，深部圍巖繼續(xù)破壞，最終引起錨桿索錨固失效，錨固體卸載。錨固體通過錨桿索的預(yù)應(yīng)力主動支護(hù)作用和桿體本身抗剪作用，使圍巖淺層塑性區(qū)圍巖構(gòu)成適應(yīng)自身變形且具有一定承載能力的平衡拱，控制圍巖的變形。

1.2 復(fù)式錨索桁架受力分析

復(fù)式錨索桁架通過錨索張緊而產(chǎn)生的拉緊力與頂板錨索錨固后產(chǎn)生的預(yù)緊力對頂板巖層起到控制作用。錨索桁架產(chǎn)生的垂直應(yīng)力一部分轉(zhuǎn)移到兩幫煤體中。隨頂板的變形下沉，下部桁架受頂板圍巖變形力加大，出現(xiàn)對頂板巖層的約束力日趨增大，可以有效控制頂板的繼續(xù)變形和下沉。

復(fù)式錨索桁架的復(fù)向應(yīng)力使頂板巖體最大限度回歸到多向受壓狀態(tài)，最大限度維護(hù)原有三向應(yīng)力場，改善頂板巖體強(qiáng)度參數(shù)，調(diào)動頂板深部圍巖和煤幫圍者協(xié)同維護(hù)圍巖中應(yīng)力場，避免圍巖出現(xiàn)大變形，降低頂板撓度，提高頂板抗破壞能力。

1.3 復(fù)式錨索桁架優(yōu)點(diǎn)

復(fù)式錨索桁架錨固點(diǎn)分別在巷道煤幫頂板深處和巷道中部頂板深層三向受壓巖體中。頂板圍巖變形出現(xiàn)在淺部圍巖，所以，對深部錨固區(qū)域圍巖影響較小，錨索錨固點(diǎn)周邊巖體不易破壞，確保錨索提供穩(wěn)固可靠的錨固力，有效控制頂板的下沉和離層。同時，復(fù)式錨索桁架中錨索有一定的安裝角度，頂板的下沉，深部錨固點(diǎn)能適量向內(nèi)移動，避免錨索被拉斷，整個支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)力也相應(yīng)增加，形成閉鎖結(jié)構(gòu)，可有效避免頂板圍巖惡性變形和冒頂事故的出現(xiàn)。

復(fù)式錨索桁架能有效控制頂板下沉，減少巷道的維護(hù)量，節(jié)約維護(hù)成本：①復(fù)式錨索桁架支護(hù)系統(tǒng)通過施加預(yù)應(yīng)力改變圍巖內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，使圍巖處于受控狀態(tài)，通過改變圍巖內(nèi)部應(yīng)力場提高錨固體的抗拉能力，提高錨固體抗剪切能力，確保圍巖穩(wěn)定性。②采用復(fù)式錨索桁架支護(hù)技術(shù)較普通單體錨索支護(hù)技術(shù)更有利于實(shí)現(xiàn)破碎頂板大跨度巷道的快速掘進(jìn)，能提高礦井綜合效益，為保證礦井安全高效生產(chǎn)提供了有力保障。

2 具有水平雙向恒阻功能的新型錨索桁架研究

針對高水平應(yīng)力作用下巷道頂板水平運(yùn)動引起的破壞提供合理有效的控制方法。

2.1 現(xiàn)有錨索梁結(jié)構(gòu)存在的問題

在煤巷支護(hù)技術(shù)中，錨索梁組合的桁架系統(tǒng)是有效的巷道支護(hù)手段。常用的托梁主要是槽鋼、W鋼帶或鋼筋梯子梁等。錨索錨固點(diǎn)位于巷道頂板探部不易破壞的三向受壓煤巖體，不易受頂板離層和變形的影響，對錨索施加預(yù)緊力，當(dāng)遇到高水平應(yīng)力巷道時，巷道頂板的主要破壞形式為水平擠壓-松擴(kuò)變形。在頂板水平擠壓的過程中，現(xiàn)場常遇到的情況是，錨索梁支護(hù)結(jié)構(gòu)的托粱容易發(fā)生彎折、撕裂乃至永久失效，大大降低了對頂板破碎巖體的控制作用，造成大面積冒頂，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。

2.2 新型錨索桁架結(jié)構(gòu)及其基本原理

在高水平應(yīng)力下的大斷面煤巷頂板巖層易于出現(xiàn)較大的水平運(yùn)動，而巖層水平運(yùn)動易造成巷道頂板擠壓-松動擴(kuò)容大變形，往往會沿巷道走向形成破碎帶，易誘發(fā)大范圍冒頂垮落事故，對巷道維護(hù)和工作面安全生產(chǎn)極為不利。針對上述問題及現(xiàn)有錨索粱結(jié)構(gòu)的不足，設(shè)計(jì)了一種用于巷道頂板支護(hù)的新型錨索桁架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，其組合梁可以按巷道頂板巖層水平運(yùn)動時對其產(chǎn)生的承載作用力的大小，調(diào)整其自身長度，達(dá)到抑制或適應(yīng)巷道頂板水平擠壓松擴(kuò)變形的目的，并確保組合粱不會出現(xiàn)扭曲撕裂、斷開失效等現(xiàn)象，防止巷道垮落冒頂事故的出現(xiàn)。設(shè)計(jì)的以兩段式高強(qiáng)短鋼梁和凹形搭接組件為主要部件的可伸縮錨索桁架結(jié)構(gòu)，使用時，主槽鋼與副槽鋼內(nèi)端搭接在一起，通過兩片夾板及夾板兩耳的螺栓鎖緊，兩槽鋼外端開有錨索孔，錨索錨固點(diǎn)位于巷道頂板兩側(cè)肩角深部穩(wěn)定巖層內(nèi)，對錨索施加預(yù)緊力，使得槽鋼梁緊貼頂板，對頂板垂直方向起到主動支護(hù)作用。該結(jié)構(gòu)不僅保有桁架結(jié)構(gòu)特性，而且能夠適應(yīng)并抑制頂板煤巖體水平大變形破壞的擠壓—穩(wěn)定—松擴(kuò)全過程，具有連接牢固、穩(wěn)定性好、雙向恒阻等特點(diǎn)。

3 結(jié)語

復(fù)式錨索桁架能有效控制頂板下沉，減少巷道的維護(hù)量，節(jié)約維護(hù)成本。具有水平雙向恒阻功能的新型錨索桁架，能針對高水平應(yīng)力作用下巷道頂板水平運(yùn)動引起的破壞提供合理有效的控制方法，為工作面布置順利進(jìn)行提供可靠的保障。