破碎围岩巷道新型支护技术研究

李久云

（长治市煤矿安全仪器仪表检测中心，山西 长治 046000）

随着矿井开采由浅部向深部发展，地应力高、巷道围岩破碎等问题越来越突出，对于该类巷道的支护越来越引起煤矿的重视。针对顶底板破碎、围岩松散的巷道通常采用架棚支护方式，单纯采用架棚支护方式具有支护成本高、工人劳动强度大等问题，而且从现场实施情况来看，并未取得良好的支护效果。近年来，有学者提出采用全断面锚杆（索）支护、超高强预应力锚杆支护、预应力锚杆+大跨度架棚支护等方式进行优化设计，但对于破碎围岩地质情况，采用上述支护方式仍存在材料消耗大、施工难度大、安全隐患大等问题。在对不同支护方式优缺点分析的基础上，结合振兴矿1513工作面工程地质条件，提出了采用“短锚+轻架”的联合支护方式，通过工业性试验，取得了良好的支护效果，具有“低耗高强”的优势。

1 “短锚+轻架”联合支护结构

本支护方式主要用于该矿1513工作面回采巷道（见图1），主要采用短锚杆、短锚索与轻型金属棚架相结合的支护方式，首先在围岩面铺设双抗布，通过轻型金属棚架后方的高强度钢筋笆将其固定，而短锚杆和锚索经金属短梁与轻型金属支架相互组合。

图1 “短锚+轻架”支护结构模型

“短锚”即锚杆及锚索长度均小于围岩破碎区范围，“轻架”即采用质量较轻的11#工字钢棚架。上述新型支护结构中，锚杆选用直径为22mm、长度为2500mm的高预应力左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每根锚杆配合2支Z2355的树脂锚固剂；锚索选用直径为17.8mm、长度为6000mm的预应力钢绞线锚索，每根锚索配合1支K2355和3支Z23553树脂锚固；双抗布长、宽分别为4000mm和1000mm，压茬长度100mm；高强度筋笆长、宽分别为1200mm和900mm，压茬长度100mm，连接点间距小于200mm，通过12#铁丝连接，所选用钢筋网网格长宽均为100mm，钢筋直径为10mm，联合支护侧视见图2。

图2 联合支护侧视

2 “短锚+轻架”支护机理

作为一种新型支护方式，“短锚+轻架”支护方式与其它支护方式的不同之处在于，锚杆与棚架除了各自发挥对围岩的承载支护作用外，还能够相互作用，促进彼此间承载能力的提高，其支护机理如下：

1）短锚杆能够增加棚架支点数量，有助于提高棚架的稳定性及承载能力。由于锚杆（索）穿过钢棚，能够对顶上棚梁及两帮棚腿提供相应拉应力，该作用效果等效于给棚架增加支点个数，从而减小了棚梁的跨度，将其从长跨静定梁转化为短跨超静定梁，棚架的稳定性大大提高，承载能力也更强，能够抵抗更大限度的围岩变形。

2）能够减小围岩松动圈范围及内部抗滑力，使锚杆（索）更好地发挥其主动支护作用。棚架对围岩提供了初始支护阻力，而高强度筋笆网和双抗布将围岩密闭，在支护体共同作用下，巷道浅部围岩裂隙得到封闭和压实，围岩的整体性能得到增强，锚杆（索）得到可靠的着力点，支护效果更好。而锚杆（索）支护阻力的增加又会促进棚架对围岩的支护，二者相互促进，相得益彰，为围岩稳定保驾护航。

3）锚杆（索）支护属于主动支护，棚架支护属于被动支护，将二者联合起来，实现了主动支护与被动支护的统一。棚架即独立被动对围岩施加支护阻力，同时作为锚杆（索）的长托盘对围岩提供主动支护力，且该托盘支护范围更大，锚杆（索）为围岩提供的支护力也越大，最终实现对巷道围岩的有效控制。

3 “短锚+轻架”支护结构承载力分析

1）力学模型的建立

以梯形棚架为研究对象，对其受力进行分析，将棚腿底端A、D近似按照铰支座处理，棚架的受力主要来自围岩和锚杆，上覆岩层对棚架顶部载荷用q1表示，两帮围岩对棚架的载荷用q2表示，载荷数值通过现场实测得出，q1=35278.14 N/m，q2=25865.62 N/m，顶部锚杆支护阻力R3=R5=87 kN，顶部锚索支护阻力R4=193 kN，两帮锚杆支护阻力R1=R7=83 kN，R2=R6=79 kN，最终建立的力学模型见图3。

图3 “短锚+轻架”力学模型

2）数值计算

本次数值计算采用ABAQUS软件来进行，该软件基于有限元进行工程模拟，所需各结构部分的参数根据现场实测和实验室试验来取得，巷道梯形断面上底宽3.38 m、下底宽3.82 m、净高2.9 m，棚架主要采用11#工字钢，其弹性模量取206 GPa，泊松比取0.3，惯性矩为6.237×10-6m4，截面积为3.32×10-3m2，在数值计算中，将棚架工字钢按梁单元来处理，工字钢在受到覆岩载荷后主要发生弯曲变形。锚杆锚索结构单元还要在棚架上施加载荷，因此在棚架上选定参考位置点，将布置在参考位置点的结构单元与棚架固定连接，约束其移动。锚杆锚索对棚架的支护力按其施加的方向作用在参考位置点。棚架腿与巷道面的接触按铰接约束。现场施工中所选用的11#工字钢牌号为20 MnK，其屈服强度σx≥355 MPa，抗拉强度σb≥510 MPa，伸长率σs≥18%，将锚杆及工字钢相关参数带入计算可得，棚架结构的最大承载力为279 MPa，并未超过其屈服强度极限，因此，该结构能满足支护的要求。

4 工程应用

1513工作面回采巷道处于盆地构造带内，受到构造地应力的影响，巷道围岩发生严重的破碎变形，巷道掘出后，巷道顶板下沉量、两帮移近量及底鼓量均较大，巷道围岩整体承载性较弱，多处发生压酥变形。随着巷道不断向前掘进，已掘好段巷道变形破坏严重，若继续使用原锚杆（索）+金属网的支护方式已经无法保证巷道的安全快速掘进，因此基于上述理论分析，决定对后续掘进断面采用新型“短锚+轻架”支护方式，为对比验证巷道支护效果，分别在原支护段和采用新型“短锚+轻架”支护段内设置若干矿压观测站，分别对巷道顶底板移近速度及两帮移近速度进行矿压观测，采用“十字”丝法进行测量，两帮及顶底板变形选择断面成形较好的顶、帮锚杆端部点，对巷道围岩变形量进行测量，以得知巷道顶底板及两帮的围岩变形量及变形速度，从而绘制见图4的围岩变形曲线。

巷道掘成后对巷道围岩进行105 d的矿压观测，由图4可知，新型支护方式巷道两帮最大移近速度为0.6mm·d-1，而原支护方式巷道两帮最大移近速度为0.9mm·d-1，到第75 d两帮围岩变形趋于稳定；新型支护方式巷道顶底板最大移近速度为1.5mm·d-1，而原支护方式巷道顶底板最大移近速度为0.9mm·d-1，到第60 d顶底板围岩变形趋于稳定。与原支护方式相比，采用新型支护方式可使巷道围岩变形量及变形速度降低，掘巷完成后，巷道围岩能在更短时间内变形得到收敛，巷道围岩稳定性更好。

图4 不同支护方式巷道围岩变形曲线

5 结语

1）“短锚+轻架”支护方式中锚杆与棚架除了各自发挥对围岩的承载支护作用外，还能够相互作用，促进彼此间承载能力的提高。

2）通过工业性试验表明，采用该新型支护方式后，可使巷道围岩变形量及变形速度降低，掘巷完成后，巷道围岩能在更短时间内变形得到收敛，巷道围岩稳定性更好。

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