百善矿桁架支护安全控制技术的研究与应用

祁明峰，刘小刚

（皖北煤电集团公司 百善煤矿，安徽 淮北235154）

1 概况

百善煤矿随着矿井可供开采的资源日渐枯竭，多数采掘头面都集中在提高上限区域内施工，提高开采上限的安全开采问题，是一个事关安全生产的重大技术问题。而有效合理的巷道支护，可确保上限区域煤层的安全开采。因此，研究合理的巷道支护技术是百善煤矿在上限区域开采的重大核心课题，特别是变形量大、围岩破碎以及受采动影响的难支护巷道，采用传统架棚支护方式已不能有效地控制围岩变形、顶板离层、底鼓等问题。新型巷道支护方式──桁架支护安全控制技术可大大提高围岩自身承载能力，弥补现有支护方式的不足，是更合理、有效的支护方式。

2 桁架支护安全控制技术的原理

桁架支护属于一种主动加固围岩的支护形式，安装后依靠联接件施加的预紧力和锚索的锚固力，在顶板中形成挤压加固层，增加顶板的抗弯能力，以提高顶板的稳定性。随着顶板的下沉，作用在联接件上的工作阻力将持续增大，桁架锚索对围岩的挤压作用越来越大。

当围岩作用在桁架上的压力增大到一定数值，即达到或超过锚索工作阻力时，锚索向外端拉伸，桁架随即产生让压，围岩产生一定的位移，围岩应力重新分布，作用在桁架上的压力减少，桁架处于新的稳定阶段。当围岩应力再次增大，桁架重复上述工作状况，这样周而复始，通过不断改善的应力状态使围岩较充分地发挥其自承能力，使桁架在稳定─让压─稳定的状态下工作。

3 支护参数设计

3.1 机巷原支护方案

6415机巷采用矿用11＃工字钢架梯形棚进行支护。规格为3.2m×2.4m（梁×腿），棚距0.65m。

施工中发现，棚腿易发生弯曲变形，巷道的维修量大。2011年8月中旬～9月初，每天需抽4～5人进行维修，给施工带来不便。

3.2 锚网架索联合支护方案

（1）锚杆规格。顶部共5根螺纹钢锚杆，每根锚杆眼两卷K2350型树脂锚固剂，锚杆间排距0.8m×0.8m；每帮各3根端头拍扁的金属螺纹钢锚杆，每根锚杆眼两卷MSJHS37225型水泥锚固剂，锚杆间排距0.8m×0.8m。顶、帮铺单层金属网，网与网之间顺茬搭接，压茬不小于100mm，压茬处每隔200mm用双股12＃铁丝扎紧（见图1）。

图1 锚网架索联合支护方案断面

（2）锚固方式。为了更好地发挥锚杆的加固作用，锚杆采用加长锚固。树脂药卷选用快速药卷（K2350型、K2560型），凝胶时间41～90S，等待时间90～180S，锚杆钻孔直径28mm，外露50mm。

（3）桁架参数尺寸。拱形桁架在国外又称轻型格子架，由粗细不等钢筋或螺纹钢焊接而成，属于轻型支护结构。在煤矿井下与锚喷支护配合使用，可具有较好的力学性能，且重量轻、成本低。选用螺纹钢筋，同混凝土的握裹锚固性能强、强度高。

桁架梁结构：梁长3.6m、腿长2.2m；有主筋、副筋、配筋、连接件和底座。连接件成钢性连接。主筋规格Φ16～22mm，副筋规格Φ12～16mm，配筋规格Φ8～12mm，横截面尺寸100mm×100mm。

主体结构分为顶梁、肩弧、柱腿等部分（见图2）。

图2 “五段铰接梯形”桁架尺寸及实施效果示意

（4）锚杆－桁架支护作用的特点

① 桁架由钢筋焊接而成，整体刚性较差，不能单独支护，更不能对围岩实施主动支护，只有与锚杆、锚索形成联合支护时，才能取长补短。

② 副筋相当于钢带，易发生弯曲变形，可承受拉应力也可承受压应力。

③ 副筋、锚杆和主筋三者之间共同作用时，使主筋主要承受拉应力，同时提供给围岩一定的挤压应力，弯曲变形越大，桁架结构提供给围岩的挤压应力越大，越有利于围岩的稳定，使巷道围岩从不利的受拉应力状态变成有利的受压应力状态，从而提高锚固体的强度。

（5）锚索。采用小孔径预应力锚索技术，初步确定锚索间距为2.0m，排距为2.4m，平面采用平行布置（见图3）。

图3 锚索布置平面

锚索托板：100mm×100mm×10mm的平钢板。锁具1个，锚索外露段长度为200mm。

树脂及锚固方式：利用4支Z2350中速树脂药卷（凝胶时间91～180S，等待时间480S）加长锚固。锚索预拉力为100kN。

4 巷道支护效果

1）采用高强度的螺纹钢锚杆加长锚固加固巷道围岩，可以使巷道围岩形成一个整体，有效地控制巷道的基本变形。

2）通过架设桁架和铺网等措施防止了巷道围岩的较大变形，并最大限度地减少了因巷道围岩恶化和锚杆施工造成的锚杆失效问题。

3）巷道顶板稳定性差的情况下，在使用锚杆的基础上，采用小孔径预应力锚索支护技术对顶板进行加强支护，有效地保证了巷道顶板的稳定性。

4）上限区域煤层巷道采用高强度的螺纹钢锚杆加长锚固加固巷道围岩，架设桁架和铺网等措施防止巷道围岩的较大变形，小孔径预应力锚索支护技术对顶板进行加强支护的联合支护措施是十分有效的。

桁架支护安全控制技术目前已在百善矿6415机巷、6121风巷施工中应用，从施工情况看，虽然经受了回采动压的影响，但巷道仅出现表面煤层被挤碎、兜网，没有掉顶现象。经过将近一年的观测没有出现返修现象，取得了较好的支护效果，达到了预期目的。该技术为解决巷道受压变形和快速掘进提供了保证。