復合頂板高應力桁架錨索支護技術研究

孔憲法

(大同中煤進出口煤基地建設有限公司，山西 大同 037000)

晉華宮礦部分煤層頂板條件復雜，上覆頂板含有若干層軟弱夾層，圍巖破碎，屬于復合破碎頂板巷道。對于此類頂板，部分地段煤巷掘進出來就出現較劇烈的變形和破壞，半年后兩幫明顯內移，變形嚴重，不得不架棚返修。因此，如何解決此類復合頂板支護難題，尋求科學合理的支護方案迫在眉睫。目前，關于復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應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]研究了復合頂板沿空巷道的圍巖控制整套技術，即噴漿封閉圍巖+高強度預應力錨桿支護、底角錨桿、二次支護+向采空區傾斜錨索增強基本頂關鍵塊穩定性。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索結構支護。該支護方式是在錨帶網支護結構的基礎上增加了錨索支護。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定性，確保巷道安全。但普通的單體錨索仍不能破解復合型頂板支護難題，2709運輸巷采用錨帶網索結構支護后，初期取得一定支護效果，但半年后兩幫明顯內移，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，有的甚至發生了垮冒等嚴重事故。

使用原先的錨帶網索支護很難控制住圍巖的破裂變形，為了控制復合頂板變形下沉，減少架棚支護工程量，在原錨帶網索支護結構的基礎上，提出了增加高預應力桁架錨索支護結構。高預應力桁架錨索支護結構由預應力高強度鋼絞線、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緊力，改善頂板應力狀態，消除頂板彎曲變形引起的拉應力，使頂板處于受壓狀態。錨固區巖層與桁架錨索支護組成強大的“倒梯形”閉鎖結構，見圖1。該結構不僅對巷道形成保護作用，也對巷道上覆巖層形成的“大結構”起到保護作用，防止“大結構”產生破壞或發生失穩，發揮完整的“大結構”對巷道積極的保護作用，抑制破壞或失穩的“大結構”對巷道強大來壓破壞的副作用。可以說，錨固區巖層與桁架錨索形成的“小結構”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 晉華宮礦復合頂板“錨桿-單體錨索-桁架錨索”三階梯次支護

復合頂板巖層組中軟弱煤巖層極易發生離層變形，巷道圍巖變形量和變形速度很大。針對晉華宮礦復合煤層頂板難以維護的特點，改進錨桿支護懸吊理論，應用頂板三階梯次桁架錨索支護技術理論，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上補打普通單體錨索，如此可確保頂板中部軟弱煤巖的穩定性，使其自身錨固結構可以擴展到中部巖層。

三階支護：在中部錨固結構的基礎上再補打桁架錨索，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，從而有效控制復合頂板的圍巖變形破壞。

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

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。巷道頂板為復合型較破碎頂板。對于較厚的復合型頂板，由于錨桿錨固深度有限，如果錨桿錨固范圍之外圍巖產生離層或破壞，就會導致頂板下沉，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合型煤巷頂板的穩定性。因此，決定采用新型高預應力桁架錨索支護進行試驗，工業試驗長度為150 m。在普通錨桿支護基礎上，又增加了桁架錨索的補強措施，錨索施加的強大預緊力有效控制了頂板的變形破壞，從而發揮了懸吊理論控制復合頂板的作用。2709運輸巷具體支護形式及支護參數如圖3所示。

圖3 2709巷桁架錨索支護方案(150 m試驗段)

2709巷復合頂板采用普通錨索+桁架錨索的聯合支護，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如下：

1) 桁架錨索：直徑15.24 mm，長9.3 m，由7股高強度預應力鋼絞線組成。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緊力至120 kN。

2) 普通錨索：直徑15.24mm，長6.3m，由7股高強度預應力鋼絞線組成。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，頂底板移進量由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 語

本文針對晉華宮礦2709運輸巷復合頂板提出了“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，也為同類型復合頂板巷道支護提供了借鑒。