“高應力錨索棚+桁架錨索”聯(lián)合支護在應力集中區(qū)中應用

張云天

（晉能控股煤業(yè)集團泰山隆安煤礦，山西 忻州 034000）

1 概述

晉能控股煤業(yè)集團泰山隆安煤礦8203 運輸順槽位于井田二采區(qū)，北為8#煤二采區(qū)輔運下山，南為8205 采空區(qū)，東為原晉豫煤礦老空區(qū)，西為8202 采空區(qū)。8203 運輸順槽設(shè)計掘進長度為627 m，巷道寬度為5.0 m，高度為3.5 m，沿8#煤層頂板掘進，煤層傾角2°～8°，平均4°，煤層厚度3.7～5.2 m，平均5.2 m。煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 8#煤層頂?shù)装鍘r性匯總表

2 巷道圍巖破碎機理

2.1 巷道原支護設(shè)計

巷道頂板采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，回采側(cè)采用玻璃鋼錨桿、木托板支護；非回采側(cè)采用圓鋼錨桿、木托板支護。

（1）頂錨桿。頂螺紋鋼錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2400 mm，每排6 根，布置間距為0.9 m，排距為1.0 m，錨桿外露端安裝一根“W”型鋼帶，中部錨桿垂直頂板布置，兩側(cè)錨桿向巷幫側(cè)成75°夾角。

（2）頂錨索。頂板每排布置3 根錨索，錨索長度為7.0 m，直徑為17.8 mm，錨索布置間距為1.8 m，布置排距為3.0 m，錨索成點性布置，每根錨索外露端安裝一塊托板進行預緊，托板長度為0.3 m，寬度為0.3 m，所有錨索與頂板垂直布置。

（3）菱形金屬網(wǎng)。8#菱形金屬網(wǎng)，頂網(wǎng)長寬為10 000 mm×1700 mm，幫網(wǎng)長寬為5200 mm×1200 mm，網(wǎng)孔60 mm×60 mm；板塑鋼網(wǎng)：抗拉強度大于160 MPa，井字型，網(wǎng)孔40 mm×40 mm，長寬為10 000 mm×1700 mm。

（4）鋼帶。Φ18 mm 螺紋鋼6 孔鋼帶，長5.0 m，寬0.25 m；錨桿鋼托盤150 mm×150 mm×8 mm，木托盤400 mm×200 mm×50 mm；錨固劑CK2360；頂錨桿錨固力不小于68 kN，幫錨桿不小于49 kN；Φ17.8 mm 錨索錨固力不小于150 kN，Φ21.6 mm錨索錨固力不小于200 kN。

2.2 巷道掘進主要存在問題

8203 運輸順槽掘進至511 m 處時揭露落差1.8 m 的F5 正斷層，斷層與巷道夾角為48°，巷道掘進至519 m 處時完全揭露了斷層。巷道從511 m 揭露斷層后，頂板開始出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在巷道中部頂板破碎、冒漏。巷道掘進至516 m 處時巷道成型效果差，巷道頂板呈尖錐狀。原頂板錨桿（索）支護效果差，現(xiàn)場實測錨桿失效率達18%。

2.3 巷道破碎機理

（1）斷層影響。現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)巷道在F5 斷層影響下破壞了巷道掘進煤層整體穩(wěn)定性，斷層侵入?yún)^(qū)內(nèi)位于頂板往下1.5 m范圍內(nèi)為泥巖、8#煤混合層，煤巖體之間膠結(jié)穩(wěn)定性差，巷道在斷層區(qū)掘進時，受斷層應力作用，頂板巖體力學結(jié)構(gòu)遭到破壞，頂板破碎。

（2）采空區(qū)影響。8203 運輸順槽南部為8205采空區(qū)，與采空區(qū)之間預留厚度為25 m 煤柱。巷道揭露斷層后，煤柱裂隙發(fā)育，采空區(qū)殘余應力沿裂隙帶傳遞至巷道內(nèi)并進行釋放，造成煤柱側(cè)頂板出現(xiàn)斷裂破碎現(xiàn)象。

（3）支護強度低。原頂板采用的錨桿（索）支護屬于被動支護，且支護主要采用錨固劑進行錨固，當頂板在應力持續(xù)作用下，錨桿（索）錨固端出現(xiàn)支護“疲勞”現(xiàn)象，導致錨桿（索）錨固失效。

3 圍巖聯(lián)合控制技術(shù)

3.1 桁架錨索支護

（1）桁架錨索支護原理。傳統(tǒng)錨桿（索）支護時，通過對支護體施加預應力，將預應力傳遞至穩(wěn)定巖體中，從而形成連續(xù)穩(wěn)定的應力梁。但是，頂板在垂直向下應力作用下，造成頂板巖體破碎嚴重，錨桿（索）支護時預應力無法有效傳遞至穩(wěn)定巖體內(nèi)，從而降低了支護質(zhì)量。桁架錨索支護是在應力區(qū)頂板施工一組斜角錨索，然后在斜角錨索端部施加水平拉力，斜角錨索拉力合力方向向上，從而削弱頂板應力作用，如圖1。

圖1 8203 應力區(qū)聯(lián)合支護斷面示意圖（mm）

（2）桁架錨索支護結(jié)構(gòu)。桁架錨索由恒阻錨索兩根（長度為6.3 m，直徑為21.8 mm）、雙向張拉器一個（最大張拉行程為0.5 m）、兩根桁架拉桿（長度分別為1.5 m，直徑為22 mm）組成。

（3）施工工藝。① 首先在巷道應力區(qū)頂板施工一組錨索鉆孔，錨索鉆孔施工在相鄰兩根鋼帶之間，鉆孔布置間距為3.0 m，鉆孔與頂板成75°斜角且成對稱布置；② 鉆孔施工完后，對鉆孔內(nèi)錨注兩根錨索，錨索錨固后外露長度控制在0.25 m 范圍內(nèi)；③ 錨索安裝后，在錨索外露端安裝桁架拉桿，然后在桁架拉桿另一端安裝雙向張拉器，最后利用張拉器對兩根錨索進行張拉。

3.2 高應力錨索棚支護

為解決傳統(tǒng)鋼棚支護時易變形、斷裂現(xiàn)象，決定對8203 運輸順槽安裝高預應力錨索棚支護[1-5]。

（1）8203 運輸順槽安裝的高應力錨索棚主要由頂梁、棚腿、底座、錨索、卡纜等部分組成。頂梁長4.8 m，采用12#工字鋼梁制成，鋼梁上布置3個錨索支護孔；棚腿長3.5 m，采用U29 鋼梁制成。

（2）8203 運輸順槽掘進至520 m 處時開始架設(shè)高應力錨索棚，錨索棚架設(shè)間距為2.0 m。首先在頂板施工3 根錨索，并代替原頂板錨索，錨索布置間距為1.8 m，錨索布置排距為2.0 m。

（3）頂板錨索施工完后，在3 根錨索外露端安裝工字鋼梁并采用鎖具進行預緊，然后依次安裝棚腿、底座，并采用卡纜進行固定。鋼棚架設(shè)后必須保證棚腿起到支撐作用。

4 結(jié)語

通過對8203 運輸順槽應力區(qū)圍巖采取聯(lián)合控制技術(shù)，巷道在后期掘進過程中未發(fā)生頂板大面積破碎、冒漏事故，起到了有效的圍巖控制效果。現(xiàn)場圍巖監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合支護后頂板下沉量控制在0.17 m 以下，兩幫收斂量控制在0.32 m 以下，提高了巷道成型率，保證了應力區(qū)巷道安全快速掘進。