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(wèn)題，是一個(gè)事關(guān)安全生產(chǎn)的重大技術(shù)問(wèn)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(dòng)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(wèn)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(dòng)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(duì)圍巖的擠壓作用越來(lái)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(guò)錨索工作阻力時(shí)，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(guò)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(jì)

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(lái)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(jiàn)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(zhǎng)錨固。樹脂藥卷選用快速藥卷（K2350型、K2560型），凝膠時(shí)間41～90S，等待時(shí)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(guó)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(zhǎng)3.6m、腿長(zhǎng)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(jiàn)圖2）。

圖2 “五段鉸接梯形”桁架尺寸及實(shí)施效果示意

（4）錨桿－桁架支護(hù)作用的特點(diǎn)

① 桁架由鋼筋焊接而成，整體剛性較差，不能單獨(dú)支護(hù)，更不能對(duì)圍巖實(shí)施主動(dòng)支護(hù)，只有與錨桿、錨索形成聯(lián)合支護(hù)時(shí)，才能取長(zhǎng)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(shí)，使主筋主要承受拉應(yīng)力，同時(shí)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(jiàn)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(gè)，錨索外露段長(zhǎng)度為200mm。

樹脂及錨固方式：利用4支Z2350中速樹脂藥卷（凝膠時(shí)間91～180S，等待時(shí)間480S）加長(zhǎng)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(zhǎng)錨固加固巷道圍巖，可以使巷道圍巖形成一個(gè)整體，有效地控制巷道的基本變形。

2）通過(guò)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(wèn)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(duì)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(zhǎng)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(duì)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(dòng)壓的影響，但巷道僅出現(xiàn)表面煤層被擠碎、兜網(wǎng)，沒(méi)有掉頂現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)將近一年的觀測(cè)沒(méi)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。