桁架錨索支護(hù)技術(shù)在大斷面巷道支護(hù)中應(yīng)用

郝 宏 偉

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)簸箕掌煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同037000）

1 工程概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)新村煤業(yè)13031 工作面主采3#煤層，平均煤層厚度3.8m，平均煤層傾角8°。工作面煤層賦存疏松，屬于典型的松軟不穩(wěn)定煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。煤層直接頂為泥巖，厚度1.2～2.8m，平均1.9m；老頂（基本頂）為中粒砂巖，厚度2.9～4.3m，平均3.2m；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚度2.9～7.8m，平均厚度5.5m。13031 工作面施工切巷主要用于支架、運(yùn)輸機(jī)和采煤機(jī)等采煤設(shè)備的安裝。

13031 工作面切巷為滿足工作面采煤設(shè)備安裝的需要，設(shè)計(jì)施工的斷面形狀為矩形斷面，巷道寬8.2m，高3.5m，采取分兩次施工的方式進(jìn)行成巷，第一次施工的巷道斷面為寬5m×高3.5m，當(dāng)?shù)谝慌畔锶渴┕ね戤吅?，沿工作面回采方向再進(jìn)行擴(kuò)刷第二排巷，第二排巷的斷面為寬3.2m×高3.5m。擴(kuò)切巷施工采用錨桿索、鋼筋網(wǎng)配合W 型鋼帶梁進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。

13031 開切眼第一排巷施工時(shí)，頂部布置6 根左旋無縱筋錨桿，錨桿規(guī)格為φ20×2400mm，配合M22 快速安裝螺母及φ25mm 減磨墊圈使用，錨桿間排距800×800mm；幫部采用錨桿配合鋼筋網(wǎng)、硬質(zhì)塑料網(wǎng)及鋼筋梯子梁進(jìn)行支護(hù)，幫部布置6 根通絲錨桿，錨桿規(guī)格φ20×2000mm，間排距800×800mm，肩窩處錨桿使用異型托盤，頂部與幫部鋼筋梯子梁分離，煤體中采用雙層網(wǎng)（里層為硬質(zhì)塑料網(wǎng)、外層為鋼筋網(wǎng)）護(hù)表，巖體中采用單層鋼筋網(wǎng)護(hù)表，巷道頂部錨索配合使用W 鋼帶施工。頂部錨索采用φ17.8×8200mm1860MPa 鋼絞線，錨索間排距1500mm×800mm。巖體中錨桿預(yù)緊力矩不小于260N·m、錨固力不小于80kN，煤體中錨桿預(yù)緊力矩不小于200N·m、錨固力不小于70kN，錨索張拉載荷不小于20MPa。擴(kuò)第二排巷時(shí)按照第一排巷的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行施工。第一排巷和第二排巷施工期間，分別在滯后迎頭10m 距巷幫1000mm 位置采用單體液壓支柱配合π 型鋼打抬棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，抬棚一梁三柱，單體柱初撐力不低于90kN（具體支護(hù)圖見圖1 所示）。13031 采取上述方式支護(hù)，在開切眼形成以后，由于巷道斷面大，頂板應(yīng)力變化較為集中，出現(xiàn)巷道頂板下沉量和巷道兩幫位移量增大，巷道變形較為嚴(yán)重，對(duì)工作面的設(shè)備安裝造成較大影響，需重新對(duì)現(xiàn)有的巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2 復(fù)合錨索桁架結(jié)構(gòu)支護(hù)技術(shù)

復(fù)合錨索桁架結(jié)構(gòu)支護(hù)技術(shù)是按照錨索桁架結(jié)構(gòu)支護(hù)的原理，由多個(gè)單式錨索支護(hù)單元組成，根據(jù)圍巖應(yīng)力變化作用和錨索支護(hù)設(shè)計(jì)方法，采取一次或多次循環(huán)的支護(hù)方式，在不同的巷道施工斷面上每間隔一定的距離，將錨索布置方式設(shè)計(jì)成交錯(cuò)疊加的方式。其充分利用巷道圍巖的自承力，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，提高巷道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而達(dá)到提高巷道整體支護(hù)質(zhì)量的支護(hù)技術(shù)[1],其具體布置設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 復(fù)合錨索桁架支護(hù)示意圖

在巷道大斷面施工過程中，復(fù)合錨索桁架結(jié)構(gòu)支護(hù)方式與普通的巷道錨網(wǎng)索支護(hù)及單式錨索桁架結(jié)構(gòu)支護(hù)方式相比，主要有如下幾方面優(yōu)點(diǎn)：

1）該種復(fù)合桁架錨索支護(hù)方式是在巷道頂板的兩側(cè)和中間位置各布置一組錨索桁架，因其布置方式均勻，從而對(duì)巷道頂板提供均勻的水平力[4]；

2）該種支護(hù)技術(shù)將單式錨索桁架結(jié)構(gòu)對(duì)巷道圍巖的控制范圍進(jìn)行相互交錯(cuò)疊加，使得巷道頂板巖體與巖體之間形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，從而能夠有效的控制大斷面巷道圍巖變形，提高巷道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。

3）在該種支護(hù)技術(shù)中，三組桁架錨索從巷道頂板中部垂直方向和巷道頂板兩側(cè)水平方向?qū)敯逄峁┲ёo(hù)力，其所提供的支護(hù)力分布比較均勻合理，且使每組錨索均能充分發(fā)揮其支護(hù)作用，三組桁架錨索聯(lián)合起來組成的支護(hù)力能夠?qū)㈣旒苠^索在大斷面巷道施工中發(fā)揮極大作用。

3 復(fù)合錨索桁架結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)及實(shí)施效果

3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

為了能夠確保13031 工作面切巷采用復(fù)合錨索桁架結(jié)構(gòu)支護(hù)的各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)合理有效，依據(jù)13031工作面地質(zhì)條件及施工環(huán)境因素等實(shí)際情況，運(yùn)用FLAC3D軟件建立巷道圍巖支護(hù)數(shù)值模擬模型，模型設(shè)置的具體大小尺寸為長(zhǎng)80m，寬50m，高40m。通過利用13031 工作面巷道頂板和底板巖層的實(shí)際資料對(duì)煤體和巖體模擬的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在數(shù)值模擬中采用規(guī)格φ20mm×2400mm 的螺紋鋼錨桿和直徑為17.8mm 錨索，巷道頂部錨桿設(shè)計(jì)布置13 根，錨索布置中頂板兩側(cè)的桁架錨索布置設(shè)計(jì)角度為15°，巷道中間的錨索角度設(shè)計(jì)為5°。

3.1.1 錨索長(zhǎng)度設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

為能夠保障復(fù)合桁架錨索達(dá)到有效控制圍巖的要求，分別選取8m、9m、10m、11m 和12m 等不同長(zhǎng)度的桁架錨索支護(hù)時(shí)巷道圍巖受力變化特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在不同長(zhǎng)度的桁架錨索支護(hù)下巷道圍巖變化特征如圖3 所示。

圖3 不同長(zhǎng)度桁架錨索支護(hù)巷道圍巖變化特征曲線圖

由圖3 中可以看出，巷道圍巖的變形量隨著桁架錨索的長(zhǎng)度增長(zhǎng)而呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，但當(dāng)錨索長(zhǎng)度增加到一定程度后，繼續(xù)增加錨索長(zhǎng)度對(duì)巷道圍巖頂板下沉量和兩幫移近量控制程度起到的效果不是很明顯，而繼續(xù)加長(zhǎng)錨索不僅增加更多的經(jīng)濟(jì)成本，而且錨索越長(zhǎng)，施工速度越慢，影響巷道整體掘進(jìn)效率。因此，綜合以上因素考慮，根據(jù)數(shù)值模擬效果，在13031 工作面開切眼施工桁架錨索時(shí)，選取長(zhǎng)度為10m 的錨索比較合理。

3.1.2 桁架結(jié)構(gòu)搭接長(zhǎng)度設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

桁架結(jié)構(gòu)搭接長(zhǎng)度的大小對(duì)巷道桁架錨索支護(hù)效果有較大的影響，因此，為確保巷道支護(hù)效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，分別選取搭接長(zhǎng)度為-100mm、0mm、100mm、200m、300mm 的桁架結(jié)構(gòu)支護(hù)下巷道圍巖變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在不同長(zhǎng)度的桁架搭接長(zhǎng)度支護(hù)下巷道圍巖變化特征如圖4 所示。

圖4 不同桁架搭接長(zhǎng)度巷道圍巖變化特征曲線圖

通過對(duì)圖4 變化曲線圖分析可知，當(dāng)桁架搭接長(zhǎng)度逐漸增大時(shí)，巷道圍巖頂板下沉量和兩幫移近量呈現(xiàn)先減小后增大變化趨勢(shì)，由圖中可以看出，當(dāng)桁架搭接長(zhǎng)度從-100mm 增長(zhǎng)到200mm 時(shí)，巷道圍巖頂板下沉量和幫部移近量分別減小了21.3%和27.5%，當(dāng)搭接長(zhǎng)度由200mm 增長(zhǎng)到300mm 時(shí)，巷道圍巖變形量又開始出現(xiàn)增大趨勢(shì)。根據(jù)以上數(shù)值模擬分析，選擇搭接長(zhǎng)度為200mm 錨索桁架比較合理。

在巷道頂部設(shè)計(jì)布置13 根錨桿，選擇長(zhǎng)度為10m 的桁架錨索，選擇搭接長(zhǎng)度為200mm 的桁架結(jié)構(gòu)，將巷道頂部中間布置的錨索角度設(shè)計(jì)為5°，將以上數(shù)值參數(shù)代入進(jìn)行模擬，得出如圖5 所示的效果圖。由圖中可以看出，在該桁架錨索支護(hù)下，圍巖塑性區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)育相對(duì)較小，未對(duì)錨索的錨固區(qū)域造成影響。由此可知，該支護(hù)設(shè)計(jì)能夠滿足巷道支護(hù)效果要求，保障巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖5 巷道圍巖塑性區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)育影響范圍圖

3.2 復(fù)合錨索桁架結(jié)構(gòu)支護(hù)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)以上數(shù)值模擬情況和分析結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合13031 工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)工作面切巷支護(hù)方案如下：

1） 巷道頂板支護(hù)方案設(shè)計(jì)：頂部錨桿采用Φ20mm×2400mm 左旋無縱筋錨桿，錨桿布置的間排距為800mm×800mm，頂部共設(shè)計(jì)布置13 根錨桿，其中靠近巷道兩側(cè)的錨桿與垂直方向的夾角成15°，其余的錨桿布置與巷道頂板垂直，錨桿預(yù)緊力要求不小于200N.m。巷道頂部采用Φ17.8mm×10.3m 錨索進(jìn)行支護(hù)，巷道頂部?jī)蓚?cè)的錨索與垂直方向成15°夾角進(jìn)行布置，頂板中部的錨索與垂直方向成5°夾角布置，錨索預(yù)緊力要求不小于140kN。錨索繩被送進(jìn)錨索孔孔底后，使用專用的錨索桁架、聯(lián)接器和配套的鎖具進(jìn)行組合聯(lián)接，將錨索桁架搭接長(zhǎng)度設(shè)置為200mm（具體布置方式如圖6 所示）。

圖6 13031 工作面開切眼巷道支護(hù)示意圖

3.3 實(shí)施效果分析

為了驗(yàn)證采用該種復(fù)合桁架錨索支護(hù)方式是否適用于13031 工作面，在開切眼施工后采用“十字”觀測(cè)法對(duì)工作面巷道圍巖變形情況進(jìn)行了為期60 天的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集，根據(jù)監(jiān)測(cè)采集到的數(shù)據(jù)，繪制出巷道圍巖變化特征曲線，如圖7 所示。

圖7 13031 工作面開切眼巷道圍巖變化曲線圖

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(hù)方案實(shí)施20d 后，開切眼頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平糠謩e為84mm 和42mm；隨著錨索桁架支護(hù)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(hù)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87mm 和46mm。巷道圍巖變形量得到了有效控制。

通過圖7 分析可知，采取該種支護(hù)方式以后，13031 工作面開切眼在施工完成前20 天內(nèi)，巷道圍巖變形量比較大，其巷道頂?shù)装遄冃瘟繛?4mm，巷道兩幫位移量為42mm。隨著時(shí)間的增加，桁架錨索逐漸發(fā)揮其作用，開切眼的巷道圍巖變形量明顯出現(xiàn)下降趨勢(shì)，并趨于穩(wěn)定，在施工20～58 天時(shí)間內(nèi)，巷道圍巖變形量基本未出現(xiàn)變化，最終分別達(dá)到87mm 和46mm，由此可知巷道圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖變形量實(shí)現(xiàn)了有效控制。

4 結(jié) 論

針對(duì)13031 切巷開切眼在采用原支護(hù)方式情況下存在的實(shí)際問題，提出復(fù)合桁架結(jié)構(gòu)錨索支護(hù)技術(shù)，并采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，確定采用10m 長(zhǎng)錨索、錨索桁架結(jié)構(gòu)搭接長(zhǎng)度為200mm 等合理技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及實(shí)施效果分析來看，采用復(fù)合桁架錨索技術(shù)支護(hù)后，巷道頂板下沉量為87mm，巷道兩幫位移量為46mm，巷道圍巖變形量未超過規(guī)定要求，達(dá)到了控制巷道頂板的要求，該技術(shù)有較大實(shí)用和推廣價(jià)值。