大斷面沿空煤巷錨索桁架非對稱支護技術研究

武潤虎

（晉能控股煤業集團興峪公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽煤集團興峪煤礦現階段主采15#煤層，該煤層為簡單結構煤層，傾角0°～15°，平均3°，煤層平均厚6.0 m。15502 工作面埋深334～438 m，東部為五采區大巷，西部礦界與坤寧煤礦相鄰（實體），北部為15503 工作面（已采），南部為15501 工作面（實體）。15#煤基本頂為K2石灰巖，直接底為黑色砂質泥巖，基本底為K2灰色石灰巖。頂底板巖層具體情況詳見表1。15502 工作面回風順槽緊鄰15503 采空區掘進，區段煤柱寬度7.0 m，掘進初期巷道圍巖出現明顯的變形破壞現象，為有效控制圍巖的變形展開相關研究。

表1 15#煤頂底板巖性特征

2 15502 回風順槽原支護及變形現狀

15502 回風順槽掘巷初期設計采用錨索+錨桿+梯子梁+拱形托板+金屬經緯網聯合支護。巷道沿15#煤底板布置，頂錨索選用Ф17.8 mm×6200 mm 鋼絞線，錨桿選用Ф22 mm×2500 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，幫錨桿選用Ф20 mm×2000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂部及幫部鋼筋梯子梁均由直徑8 mm 的圓鋼焊制。頂錨索托板選用高強可調心拱形錨索托板，鋼號不小于Q235，形狀為拱形，托板尺寸300 mm×270 mm×12 mm，配用Ф68 mm×23 mm 調心球墊。錨具規格為KM18（1860），錨固劑為MS 雙速Ф23 mm×1200 mm。

15502 回風順槽屬于典型的大斷面煤巷，由于礦井采掘接續緊張，在鄰近的15503 工作面未采掘完成前即開始了掘進施工作業。因此，沿空巷道不僅經受自身掘進擾動，而且受到鄰近工作面采動影響，引發掘巷期間巷道表面局部出現較為劇烈的礦壓顯現，主要表現為頂板網兜、局部下沉，煤柱幫開裂嚴重、明顯內移，10%～15%的錨桿、錨索失效，嚴重影響巷道的掘進。

3 大斷面煤巷非對稱支護技術

3.1 高預應力錨索桁架支護原理

沿空巷道緊鄰采空區邊緣掘進，一側為大面積的實體煤，一側為小煤柱和大面積的采空區，巷道圍巖應力狀態并非對稱分布，支護設計時應當考慮圍巖變形的不對稱性。15502 回風順槽掘進初期，巷道表面變形即表現為不對稱性，靠近采空區側頂板下沉更為嚴重，煤柱幫內移也更為明顯。由此，提出采用高預應力錨索桁架非對稱支護技術進行治理，其作用原理如圖1。通過高強度桁架對頂板淺部巖層施加垂直向上和水平方向的約束力，減小巷道表面的變形，并將淺部巖層自重及載荷轉移至深部巖層；通過長錨索的作用向兩側煤壁轉移，提高頂板巖層的整體穩定性；通過調節桁架中心與巷道中線間偏移距離，達到不對稱支護的效果[1-2]。

圖1 錨索桁架系統的支護原理

3.2 不對稱支護參數優化設計

為考察錨索桁架支護技術的控制效果，確定15502 回風順槽錨索桁架布置參數，采用FLAC3D軟件模擬巷道的開挖及支護[3-4]。巷道斷面寬、高為5.6 m、3.6 m，巷道一側為實體煤，一側為7 m 小煤柱及采空區。采用摩爾-庫倫模型，模型邊界尺寸為400 m×180 m×65 m。模擬時首先進行鄰近采空區的開挖，之后進行巷道的開挖。為確定最優的支護參數，在原支護設計的錨網支護基礎上，分別設計4 種錨索長度、4 種桁架跨度、4 種桁架偏心距條件下的錨索桁架支護方案，根據模擬結果對比分析進而確定最優參數。首先進行錨索長度的優化研究，設計錨索長度分別為6 m、7 m、8 m、9 m，各錨索長度條件下巷道圍巖塑性區分布及表面變形量如圖2。

根據巷道圍巖塑性區分布可以看出，隨著錨索長度的增大，巷道頂板及兩幫圍巖塑性破壞區分布范圍逐漸減小。錨索長度為6 m 時，巷道圍巖塑性破壞范圍很大，頂板最深處為3.4 m，實體煤幫最深處為2.0 m；錨索長度為7 m 時，巷道圍巖塑性區分布范圍顯著減小，尤其是巷道實體煤側肩角處，但頂板最大破壞高度仍達到3.8 m；錨索長度為8 m時，圍巖塑性破壞區相對于錨索長度7 m 條件下顯著減小，頂板最大破壞深度為2.4 m，實體幫部最大破壞深度2.0 m；錨索長度為9 m 時，巷道圍巖塑性破壞區分布與8 m 時基本無明顯差異，說明錨索長度為8 m 較合理。根據巷道表面變形量變化規律可知，隨著錨索長度增大巷道表面變形量減小，當錨索長度由7 m 增大為8 m 時，巷道表面變形量減小非常明顯，錨索長度增大為9 m，表面變形量減小不明顯，由此說明錨索長度8 m 最為合理。

同理進行桁架錨索跨度1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m 條件下及桁架偏心距200 mm、300 mm、400 mm、500 mm 條件下的模擬分析，根據模擬結果整理得到圍巖變形隨參數變化規律如圖3?？梢钥闯?，隨著桁架錨索跨度、偏心距的增大，圍巖變形呈現出先減小、后增大的趨勢。桁架跨度1.6 m、偏心距為400 mm 為圍巖變形量曲線的拐點，此時巷道圍巖整體變形最小，支護效果最佳，因此建議桁架錨索跨度1.6 m、偏心距400 mm。

圖3 桁架跨度、偏心距對圍巖變形影響模擬結果

4 應用實踐及效果分析

4.1 15502 回風順槽非對稱支護方案

基于對15502 回風順槽支護方案優化研究結果，設計錨索桁架布置參數：錨索規格Ф17.8 mm×8250 mm，每排3 根，間排距1600 mm×1800 mm，錨索間采用16#槽鋼制作的桁架，長3700 mm。具體支護形式如圖4。

圖4 15502 回風順槽支護方案（mm）

4.2 效果考察

15502 回風順槽在距開口300 m 處開始采用錨索桁架非對稱支護技術。為掌握該支護方案現場工況，設置綜合礦壓監測站，整理監測數據得到巷道表面變形曲線及錨桿、錨索載荷變化曲線如圖5。分析可知，巷道支護完成后，表面變形量隨著距迎頭距離增大而快速增加，距迎頭40 m 時增速開始放緩，距迎頭55 m 以后，表面變形量基本平穩不再變化，兩幫最大移近量128 mm，頂底板最大移近量74 mm，控制效果良好；錨桿、錨索載荷在支護完成后先迅速增大而后輕微減小并穩定，錨索載荷峰值小于150 kN，錨桿載荷峰值小于90 kN，均在其設計承載能力范圍內，工作性能良好。綜上可得，錨索桁架非對稱支護方案對15502 回風順槽圍巖控制效果良好。

圖5 掘巷階段礦壓監測結果

5 結語

以興峪煤礦15502 回風順槽窄煤柱沿空掘巷為工程背景，通過現場調研，現有支護條件下圍巖表現為顯著的不對稱變形特征，無法有效控制圍巖變形破壞。提出采用高強預應力錨索桁架進行支護，通過數值軟件模擬巷道的開挖支護，確定錨索最佳長度8 m，桁架錨索最佳跨度1.6 m、最佳偏心距400 mm。應用實踐期間進行礦壓監測，巷道表面收斂變形很小，錨桿、錨索載荷穩定，工作性能較好，取得良好支護效果。