特殊条件下巷道锚索支护结构与参数研究

殷帅峰

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

特殊条件下巷道锚索支护结构与参数研究

殷帅峰

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

现场采集五家沟矿5#煤层及顶板煤岩试样，实验室测定其力学参数。运用数值模拟方法，研究简式桁架锚索与单体锚索不同组合结构围岩控制效果，得出厚煤顶块裂煤巷简式桁架锚索关键支护参数。结合工程类比法设计5#煤层辅运大巷简式桁架锚索与单体锚索“交错布置”组合支护方案。实测顶底板相对移近量152 mm、两帮移近量125 mm，围岩控制效果良好。

块裂厚煤顶；支护结构；简式桁架锚索；交错布置

随着锚杆(索)支护技术的发展和支护材料性能的提高，矿井普遍开掘煤层大巷。厚或特厚煤层大巷沿底板掘进时，受顶煤厚度的制约，锚索的锚固点不能伸入煤层顶板稳定岩层中，支护可靠性较差。块裂煤体节理裂隙发育、顶板冒漏块度较大、整体强度较低，易产生离层下沉。巷道断面的增大使巷道顶板应力和变形近似成平方和立方急剧增长[1-4]。因此，大断面厚煤顶块裂煤体巷道支护结构和参数研究，已经成为制约煤矿安全高效开采的关键技术难题。

中煤山西华昱五家沟煤业有限公司采用综合机械化放顶煤开采5#煤层。5#煤层厚度12.82～19.42 m，初期开采区域平均厚度16.88 m，倾角平缓。顶板一般为泥岩或砂质泥岩，底板多为黑色泥岩或炭质泥岩。5#煤层辅运大巷宽5.2 m，高3.2m，断面积16.64 m2。

1 煤岩样物理力学实验

钻取5#煤层辅运大巷煤岩样品。钻取要求：岩芯直径不小于70 mm，钻孔长度大于25 m，钻杆与顶板垂直方向小于45°，在岩芯上标定水平面和钻取深度。钻取的煤岩样主要物理力学参数如表1所示。

表1 煤岩样主要物理力学参数汇总

通过钻取现场套管中煤岩样品连续完整性描述、巷道顶板及两帮变形破坏情况统计和表1中相关数据分析，可以得到如下结论：

(1) 5#煤属于块裂结构煤体。单轴抗压强度为12.56 Mpa，硬度较大但节理裂隙发育，顶板冒漏块度较大，整体强度较低，钻取现场套管中煤体不易形成连续完整的柱状体。

(2) 5#煤的单轴抗压强度、剪切强度、弹性模量等关键力学参数比顶板岩层的对应参数要小。在承受同样条件载荷或约束的条件下，煤顶的破坏范围和程度要比岩石顶板的破坏状况严重。

煤岩样的物理力学实验为FLAC数值模拟计算分析和支护方案的设计提供了基础参数。

2 煤体巷道不同支护结构数值模拟分析

锚杆(索)支护的可靠性是评价整个支护方案围岩控制效果的重要标准。传统锚杆(索)支护提高支护可靠性的方法主要有两种：一是优化锚索的密度、长度和倾角，这是提高支护可靠性的有效方法。二是优化锚杆密度、长度和倾角。但对锚杆(索)参数的优化没有从根本上改变巷道支护的结构。

对于大断面厚煤顶块裂煤体巷道，由于锚索锚固点不能伸入顶板稳定岩层，仅通过锚杆(索)参数的优化不能达到有效控制围岩变形和破坏的目的。由此，提出了简式桁架锚索联合控制方案。通过单体锚杆(索)支护方案和简式桁架锚索联合控制方案的FLAC数值模拟计算[5]，分析对比不同支护结构的支护可靠性。

在锚杆参数不变的情况下，分析单体锚索与简式桁架锚索形成不同支护结构的围岩变形量。

2.1 单体锚索不同布置形式数值模拟

单体锚索不同布置形式数值模拟结果见图1和图2所示。

2.2 简式桁架锚索与单体锚索“交错布置”围岩控制效果数值模拟

顶板锚索支护为简式桁架锚索和单体锚索联合控制，即简式桁架锚索与单体锚索交错布置，桁架锚索排距为3.6 m，在每两排简式桁架锚索之间打一根单体锚索，单体锚索排距为3.6 m，参见图3。

图1 单体锚索2-1-2布置(排拒1.8 m)围岩变形云图

图2 单体锚索2-2布置(排拒1.8m)围岩变形云图

图3 简式桁架锚索联合控制方案围岩变形图

2.3 不同支护结构的支护效果对比分析

大断面厚煤顶块裂煤体巷道，在锚索直径和长度相同情况下，得到以下结论：

(1) 单体锚索密度增加到一定值后，再增加锚索密度对围岩变形破坏影响较小。图1、2分别显示锚索2-1-2布置、2-2布置时巷道的垂直位移和水平位移。2-1-2布置巷道顶板的最大下沉量为231 mm，两帮的最大位移值为182 mm。2-2布置时巷道顶板最大下沉量为209 mm，两帮的最大位移值为167 mm。

(2) 简式桁架锚索联合控制方案能有效减小围岩的变形量。图3(a)显示巷道顶板最大下沉量为141 mm，两帮最大位移值为119 mm。相比单体锚索，围岩变形量大幅减小。

简式桁架锚索能有效控制大断面厚煤顶块裂煤体巷道围岩的变形破坏，基本解决厚煤顶无法提供可靠锚固点的支护难题。由图4简式桁架锚索凹槽型力学结构分析可知：①简式桁架锚索锚固点位于巷道两肩窝深部不易破坏的三向受压岩体内，不易受巷道上方顶板离层和变形的影响，为发挥高锚固力提供了可靠稳固的承载基础。②简式桁架锚索系统锚固点能随顶板弯曲下沉出现适度水平内移，锚索受力合理增加且形成闭锁结构，支护结构不易失效[2]。

图4 简式桁架锚索力学结构图

3 简式桁架锚索联合支护系统参数设计

根据5#煤辅运大巷煤岩样物理力学实验结果、煤体巷道不同支护结构数值模拟分析、结合本矿井现场地质生产条件，设计采用简式桁架锚索—单体锚索—锚杆—钢筋托梁—金属网联合支护系统维护5#煤碎裂厚煤顶煤巷。

3.1 锚索支护参数设计

根据本矿井生产地质条件，运用计算机数值模拟法和工程类比法确定锚索支护参数如下：

简式“桁架锚索”由2根锚索及配套的锁具、托盘还有连接2根锚索的钢筋梯子梁组成，钢筋梯子梁规格为2600×70 mm(长×宽)。简式桁架锚索采用φ15.24 mm，7股高强度预应力钢绞线，树脂锚固，每根锚索使用1卷K2335和3卷Z2360型树脂锚固剂锚固，两锚索间距为2000 mm。锚索在装配钢托板并锁紧后，再过1小时后张拉至额定预紧力，锚索的预紧力不得低于140 kN，锚索滞后迎头距离不大于5 m。

单体锚索位于巷道中间位置，采用φ15.24 mm，7股高强度低松弛预应力钢绞线，锚索眼深8 m，锚索长度8.3 m，树脂加长锚固，每根锚索使用1卷K2335和3卷Z2360型树脂锚固剂锚固，采用与钢绞线相配套的锁具锁紧，钻孔垂直于顶板布置。单体锚索在装配钢托板并锁紧后，再过1小时后张拉至额定预紧力，锚索的预紧力不得低于140 kN，锚索滞后迎头距离不大于3 m。

简式桁架锚索的长度，倾角等参数对联合控制系统的支护效果起着至关重要的作用，合理参数的选择不但能使支护效果理想，而且能使支护成本降低[2-4]。本文采用计算机数值模拟方法对桁架锚索的关键参数进行研究确定。

3.1.1 数值计算模型与方案

模型模拟五家沟煤业有限公司5#煤层辅运大巷。模拟范围为长×宽×高=100×60×55 m，上边界施加q=γH=9.5 Mpa的均布铅垂压应力，模型两侧边界水平方向固定，底部边界垂直方向固定，围岩本构关系采用摩尔-库仑模型[1, 5]。

选用美国ITASCA公司开发的数值模拟计算软件FLAC3D 3.00进行研究，本文只介绍简式桁架锚索不同倾角、不同长度进行模拟分析，模拟方案见表2。

表2 模拟方案表

3.1.2 数值模拟结果分析

简式桁架锚索不同倾角、长度下的巷道围岩变形情况如图5所示。

图5 简式桁架锚索参数与围岩变形关系

(1) 图5(a)数值模拟计算结果表明，桁架锚索长度从6.3 m增大到8.3 m过程中，顶板变形从210 mm减小到140 mm，两帮变形从170 mm减小到120 mm，底鼓变形量维持在100 mm左右变化很小。这说明锚索长度的变化对两帮和顶板变形影响较大，而对底臌影响较小[2-4]。当桁架锚索长度达到8.3 m时，随锚索长度变化顶板、两帮及底板变形变化不大。因此，桁架锚索长度为8.3 m时能较好地控制顶板下沉量和两帮移近量。

(2) 由图5(b)可知，简式桁架锚索中锚索角度对两帮和底板变形影响较小，而对顶板变形影响较大，锚索角度为75°时顶板下沉量最小，而此时两帮和底板变形也处于较小水平。

3.2 锚杆(索)支护参数

根据本矿井的实际生产经验，运用工程类比法确定锚杆支护参数如下：

(1)锚杆规格：顶锚杆采用φ20×2600 mm左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，帮锚杆采用φ18×2000 mm圆钢锚杆。顶锚杆预紧力矩不小于140 N·m，帮锚杆预紧力矩不小于100 N·m。

(2) 锚网规格：顶板采用φ4 mm钢筋经纬网护顶，金属网规格为1200×1800 mm，网格大小为80×80 mm。煤帮采用普通菱形金属网护帮，金属网规格为1200×1800 mm。

(3) 托梁规格：顶板采用φ14 mm钢筋焊接托梁，规格为5000×70 mm(长×宽)。煤帮采用φ10 mm钢筋焊接托梁，3300×70 mm(长×宽)。

(4) 锚杆间排距：顶帮锚杆排距和间距皆为900 mm。

(5) 锚固剂：顶锚杆采用两支φ23×800 mm的中速树脂药卷锚固；帮采用一支φ23×400 mm的快速树脂药卷和一支φ23×800 mm的中速树脂药卷锚固。

3.3 5#煤层辅助运输大巷支护优化方案

由上述分析，结合该矿井实际情况，形成了5#煤层辅助运输大巷简式桁架锚索与单体锚索“交错布置”联合控制方案[6-8]，如图6所示。

图6 简式桁架锚索联合控制方案

3.4 支护效果评价与监测

巷道断面收敛率小，围岩控制效果较好。监测结果表明采用简式桁架锚索联合控制技术，5#煤辅助运输大巷在掘进20 d左右趋于稳定，在开挖支护完成一个月内，顶底板相对移近量152 mm， 两帮移近量125 mm，达到了设计要求。

4 结论

(1) 五家沟煤业有限公司5#煤属块裂结构煤体，煤巷围岩控制难度较大。块裂煤体节理裂隙发育，厚度较大、顶板冒漏块度较大、但整体强度较低。

(2) 简式桁架锚索联合控制系统优化了煤体巷道的支护结构，较好地解决了五家沟煤业有限公司5#煤辅运大巷厚煤顶无法提供可靠锚固点的支护难题。简式桁架锚索能够在水平和铅垂方向提供有效支护力，使得煤巷周围较大区域煤岩体处于多向压应力状态。

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Study on Cable Support Structure and Parameters on Roadway under Special Conditions

YIN Shuai-feng

(SafetyEngineeringSchool,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,Yanjiao，101601,China)

Mechanical parameters of the coal and rock samples which obtained from the field of the coal No.5 are determined by physical and mechanical experiments. The controlling effect of surrounding in different support structure is analyzed on auxiliary transport roadway of the coal No.5. Key parameters of the simplified truss cable combined control are determined by adopting numerical simulation methods and appropriate support scheme is designed. After the scheme is implemented in field, the controlling effect of surrounding is well, which solves the control problems of the roadway with thick and fractural coal roof.

thick and fractural coal roof; support structure; simplified truss cable; combined control

2015-12-13

国家自然科学基金资助项目(51574243)；中央高校基本科研业务费资助(3142015003、3142015086)

殷帅峰(1985-)，男，河南汝州人，博士，华北科技学院安全工程学院讲师，从事巷道支护、矿山压力与岩层控制及采场生产保障系统等方面研究。E-mail: yinshuaifeng@126.com

TD353

A

1672-7169(2016)01-0056-06