复合顶板高应力桁架锚索支护技术研究

孔宪法

(大同中煤进出口煤基地建设有限公司，山西 大同 037000)

晋华宫矿部分煤层顶板条件复杂，上覆顶板含有若干层软弱夹层，围岩破碎，属于复合破碎顶板巷道。对于此类顶板，部分地段煤巷掘进出来就出现较剧烈的变形和破坏，半年后两帮明显内移，变形严重，不得不架棚返修。因此，如何解决此类复合顶板支护难题，寻求科学合理的支护方案迫在眉睫。目前，关于复合顶板巷道的研究多集中在冒顶机理和围岩控制方面[1-3]。柏建彪等[4]针对复合顶板极软煤层巷道变形剧烈问题，提出了采用“注浆加固两帮、顶板采用树脂全长锚固高强度锚杆和小孔径预应力锚索加强支护及两帮树脂加长锚固锚杆支护”的围岩控制方案；李磊等[5]研究了复合顶板沿空巷道的围岩控制整套技术，即喷浆封闭围岩+高强度预应力锚杆支护、底角锚杆、二次支护+向采空区倾斜锚索增强基本顶关键块稳定性。但是这些方法不具有普适性。

本文以晋华宫矿为背景，提出了“锚杆-单体锚索-桁架锚索”三阶梯次支护，制定了2709巷新型桁架锚索三阶梯次支护控制方案，分析了作用效果。以期为类似复合顶板条件下的围岩控制提供借鉴。

1 晋华宫矿2709运输巷原支护方案及改进

晋华宫矿2709运输巷原来的支护方案为锚带网索结构支护。该支护方式是在锚带网支护结构的基础上增加了锚索支护。锚索的作用在于补强，可通过锚索进一步提高锚杆支护形成的锚固体的稳定性，确保巷道安全。但普通的单体锚索仍不能破解复合型顶板支护难题，2709运输巷采用锚带网索结构支护后，初期取得一定支护效果，但半年后两帮明显内移，顶板下沉变形严重，不得不架棚返修。这不仅浪费了大量的物力人力，也影响了工期和采面接替，有的甚至发生了垮冒等严重事故。

使用原先的锚带网索支护很难控制住围岩的破裂变形，为了控制复合顶板变形下沉，减少架棚支护工程量，在原锚带网索支护结构的基础上，提出了增加高预应力桁架锚索支护结构。高预应力桁架锚索支护结构由预应力高强度钢绞线、锁具、专用桁架连接器以及锚固剂组成。桁架的最大特点是可施加较大的预紧力，改善顶板应力状态，消除顶板弯曲变形引起的拉应力，使顶板处于受压状态。锚固区岩层与桁架锚索支护组成强大的“倒梯形”闭锁结构，见图1。该结构不仅对巷道形成保护作用，也对巷道上覆岩层形成的“大结构”起到保护作用，防止“大结构”产生破坏或发生失稳，发挥完整的“大结构”对巷道积极的保护作用，抑制破坏或失稳的“大结构”对巷道强大来压破坏的副作用。可以说，锚固区岩层与桁架锚索形成的“小结构”对整个上覆岩层的运移起到了良好的控制作用，从而可以对开挖时巷道空间进行长时间的保护。

图1 桁架锚索支护原理

2 晋华宫矿复合顶板“锚杆-单体锚索-桁架锚索”三阶梯次支护

复合顶板岩层组中软弱煤岩层极易发生离层变形，巷道围岩变形量和变形速度很大。针对晋华宫矿复合煤层顶板难以维护的特点，改进锚杆支护悬吊理论，应用顶板三阶梯次桁架锚索支护技术理论，如图2所示。

图2 巷道围岩阶梯式立体支护示意

一阶支护：首先采用锚杆支护，在巷道顶板浅部围岩造壳，对岩层组下部薄煤层或软弱岩层进行及时补强。

二阶支护：在锚杆群形成的锚固体基础上补打普通单体锚索，如此可确保顶板中部软弱煤岩的稳定性，使其自身锚固结构可以扩展到中部岩层。

三阶支护：在中部锚固结构的基础上再补打桁架锚索，如此可将二阶支护中的锚固体再向深部传递扩展，从而增大锚固范围。这样在锚杆、普通锚索与桁架锚索的逐步补强过程中，可使围岩锚固承载体的范围与深度大幅增加，从而有效控制复合顶板的围岩变形破坏。

顶板三阶梯次支护技术，逐段分步锚固复合顶板中的软弱煤岩层，将巷道的受力状态恢复至原始的三向应力平衡状态，并且尽量缩小围岩中的三向应力差值，最终使巷道围岩整体加固，形成超强承载结构，实现围岩整体稳定性和自承能力的目的。巷道顶板不因某一层的变形、失稳而影响整个岩层组的稳定。

3 2709巷新型桁架锚索三阶梯次支护控制方案

晋华宫矿2709运输巷为矩形断面，宽4.5 m，高2.8 m。巷道顶板为复合型较破碎顶板。对于较厚的复合型顶板，由于锚杆锚固深度有限，如果锚杆锚固范围之外围岩产生离层或破坏，就会导致顶板下沉，甚至造成巷道的垮落破坏。因此，仅仅采用锚杆支护不能保证复合型煤巷顶板的稳定性。因此，决定采用新型高预应力桁架锚索支护进行试验，工业试验长度为150 m。在普通锚杆支护基础上，又增加了桁架锚索的补强措施，锚索施加的强大预紧力有效控制了顶板的变形破坏，从而发挥了悬吊理论控制复合顶板的作用。2709运输巷具体支护形式及支护参数如图3所示。

图3 2709巷桁架锚索支护方案(150 m试验段)

2709巷复合顶板采用普通锚索+桁架锚索的联合支护，具体为：桁架锚索与普通锚索间隔布置，桁架锚索排距较远，为6 m，在桁架锚索之间补打2根普通锚索，普通锚索的排距为2 m，从而组成“2-1-1-2”的布置方式，即在2排桁架锚索之间补打2根普通锚索。两种锚索的具体布置参数如下：

1) 桁架锚索：直径15.24 mm，长9.3 m，由7股高强度预应力钢绞线组成。钻孔直径28 mm，孔深9 m。锚固方式为端头锚固，采用1支K23/60快速和2支K23/60中速树脂药卷锚固，锚固长度为1.8 m。桁架锚索间距2.1 m，距帮1.2 m，与铅垂线夹角为15～20°。需要注意的是，当安装好桁架锚索后，需要采用专用连接器将2根桁架锚索连接，并锁紧。1 h后采用千斤顶张拉预紧力至120 kN。

2) 普通锚索：直径15.24mm，长6.3m，由7股高强度预应力钢绞线组成。钻孔直径28mm，孔深6m。锚固方式为端头锚固，采用1支K23/60快速和2支K23/60中速树脂药卷锚固，锚固长度为1.8m。普通锚索布置在两组桁架锚索之间，且位于巷道中心，排距2m，每排1根。

2709巷采用新型桁架锚索三阶梯次支护后，顶底板移进量由624 mm减小至217 mm，两帮移进量由758 mm减小至326 mm，围岩得到有效控制。

4 结 语

本文针对晋华宫矿2709运输巷复合顶板提出了“锚杆-单体锚索-桁架锚索”三阶梯次支护，该支护方式有效控制了顶板下沉、两帮移近、围岩破坏等矿压显现问题，为晋华宫矿巷道安全高效掘进提供了有力保障，也为同类型复合顶板巷道支护提供了借鉴。