礦井巷道支護的復式錨索珩架作用機理和新型錨索桁架研究

(七臺河市不動產登記中心，黑龍江 七臺河 154600)

0 引言

巷道支護是為提高圍巖的穩定性，控制圍巖過大的變形及破壞。從科學優化和保障系統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現象采取綜合性防治措施。巷道布置設計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用“強幫固頂，幫頂協同控制”模式；對錨桿索支護應該實施錨網索聯合支護，充分發揮切服圍巖的承載能力，為工作面布置順利進行提供可靠的保障。

1 復式錨索桁架作用機理

1.1 復式錨索桁架機理

巷道圍巖中打入錨桿索后，錨固范圍內的圍巖構成錨固體，巷道埋深較淺時，巷道所處地應力小，開挖造成的應力集中相對也較小，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，地應力不斷增加，錨固體內圍巖應力集中越來越大，超過其強度就可能出現破壞，承載能力急劇下降，出現變形，同時，圍巖應力集中往深部轉移，深部圍巖繼續破壞，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應力主動支護作用和桿體本身抗剪作用，使圍巖淺層塑性區圍巖構成適應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 復式錨索桁架受力分析

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

復式錨索桁架的復向應力使頂板巖體最大限度回歸到多向受壓狀態，最大限度維護原有三向應力場，改善頂板巖體強度參數，調動頂板深部圍巖和煤幫圍者協同維護圍巖中應力場，避免圍巖出現大變形，降低頂板撓度，提高頂板抗破壞能力。

1.3 復式錨索桁架優點

復式錨索桁架錨固點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。頂板圍巖變形出現在淺部圍巖，所以，對深部錨固區域圍巖影響較小，錨索錨固點周邊巖體不易破壞，確保錨索提供穩固可靠的錨固力，有效控制頂板的下沉和離層。同時，復式錨索桁架中錨索有一定的安裝角度，頂板的下沉，深部錨固點能適量向內移動，避免錨索被拉斷，整個支護系統支護力也相應增加，形成閉鎖結構，可有效避免頂板圍巖惡性變形和冒頂事故的出現。

復式錨索桁架能有效控制頂板下沉，減少巷道的維護量，節約維護成本：①復式錨索桁架支護系統通過施加預應力改變圍巖內的應力狀態，使圍巖處于受控狀態，通過改變圍巖內部應力場提高錨固體的抗拉能力，提高錨固體抗剪切能力，確保圍巖穩定性。②采用復式錨索桁架支護技術較普通單體錨索支護技術更有利于實現破碎頂板大跨度巷道的快速掘進，能提高礦井綜合效益，為保證礦井安全高效生產提供了有力保障。

2 具有水平雙向恒阻功能的新型錨索桁架研究

針對高水平應力作用下巷道頂板水平運動引起的破壞提供合理有效的控制方法。

2.1 現有錨索梁結構存在的問題

在煤巷支護技術中，錨索梁組合的桁架系統是有效的巷道支護手段。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，對錨索施加預緊力，當遇到高水平應力巷道時，巷道頂板的主要破壞形式為水平擠壓-松擴變形。在頂板水平擠壓的過程中，現場常遇到的情況是，錨索梁支護結構的托粱容易發生彎折、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，嚴重影響礦井安全生產。

2.2 新型錨索桁架結構及其基本原理

在高水平應力下的大斷面煤巷頂板巖層易于出現較大的水平運動，而巖層水平運動易造成巷道頂板擠壓-松動擴容大變形，往往會沿巷道走向形成破碎帶，易誘發大范圍冒頂垮落事故，對巷道維護和工作面安全生產極為不利。針對上述問題及現有錨索粱結構的不足，設計了一種用于巷道頂板支護的新型錨索桁架結構，其結構簡單，使用方便，其組合梁可以按巷道頂板巖層水平運動時對其產生的承載作用力的大小，調整其自身長度，達到抑制或適應巷道頂板水平擠壓松擴變形的目的，并確保組合粱不會出現扭曲撕裂、斷開失效等現象，防止巷道垮落冒頂事故的出現。設計的以兩段式高強短鋼梁和凹形搭接組件為主要部件的可伸縮錨索桁架結構，使用時，主槽鋼與副槽鋼內端搭接在一起，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，錨索錨固點位于巷道頂板兩側肩角深部穩定巖層內，對錨索施加預緊力，使得槽鋼梁緊貼頂板，對頂板垂直方向起到主動支護作用。該結構不僅保有桁架結構特性，而且能夠適應并抑制頂板煤巖體水平大變形破壞的擠壓—穩定—松擴全過程，具有連接牢固、穩定性好、雙向恒阻等特點。

3 結語

復式錨索桁架能有效控制頂板下沉，減少巷道的維護量，節約維護成本。具有水平雙向恒阻功能的新型錨索桁架，能針對高水平應力作用下巷道頂板水平運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行提供可靠的保障。