矿井巷道支护的复式锚索珩架作用机理和新型锚索桁架研究

(七台河市不动产登记中心，黑龙江 七台河 154600)

0 引言

巷道支护是为提高围岩的稳定性，控制围岩过大的变形及破坏。从科学优化和保障系统性安全及综合控制考虑，必须采取有效的措施，对大跨度软岩开切眼围岩失稳现象采取综合性防治措施。巷道布置设计时必须尽量采取回采巷道的高度低于工作面采高的方式；对围岩的控制必须应用“强帮固顶，帮顶协同控制”模式；对锚杆索支护应该实施锚网索联合支护，充分发挥切服围岩的承载能力，为工作面布置顺利进行提供可靠的保障。

1 复式锚索桁架作用机理

1.1 复式锚索桁架机理

巷道围岩中打入锚杆索后，锚固范围内的围岩构成锚固体，巷道埋深较浅时，巷道所处地应力小，开挖造成的应力集中相对也较小，锚固体整体完整性较好，此时锚杆索对围岩的锚固效果不突出；而随着巷道埋深的增大，地应力不断增加，锚固体内围岩应力集中越来越大，超过其强度就可能出现破坏，承载能力急剧下降，出现变形，同时，围岩应力集中往深部转移，深部围岩继续破坏，最终引起锚杆索锚固失效，锚固体卸载。锚固体通过锚杆索的预应力主动支护作用和杆体本身抗剪作用，使围岩浅层塑性区围岩构成适应自身变形且具有一定承载能力的平衡拱，控制围岩的变形。

1.2 复式锚索桁架受力分析

复式锚索桁架通过锚索张紧而产生的拉紧力与顶板锚索锚固后产生的预紧力对顶板岩层起到控制作用。锚索桁架产生的垂直应力一部分转移到两帮煤体中。随顶板的变形下沉，下部桁架受顶板围岩变形力加大，出现对顶板岩层的约束力日趋增大，可以有效控制顶板的继续变形和下沉。

复式锚索桁架的复向应力使顶板岩体最大限度回归到多向受压状态，最大限度维护原有三向应力场，改善顶板岩体强度参数，调动顶板深部围岩和煤帮围者协同维护围岩中应力场，避免围岩出现大变形，降低顶板挠度，提高顶板抗破坏能力。

1.3 复式锚索桁架优点

复式锚索桁架锚固点分别在巷道煤帮顶板深处和巷道中部顶板深层三向受压岩体中。顶板围岩变形出现在浅部围岩，所以，对深部锚固区域围岩影响较小，锚索锚固点周边岩体不易破坏，确保锚索提供稳固可靠的锚固力，有效控制顶板的下沉和离层。同时，复式锚索桁架中锚索有一定的安装角度，顶板的下沉，深部锚固点能适量向内移动，避免锚索被拉断，整个支护系统支护力也相应增加，形成闭锁结构，可有效避免顶板围岩恶性变形和冒顶事故的出现。

复式锚索桁架能有效控制顶板下沉，减少巷道的维护量，节约维护成本：①复式锚索桁架支护系统通过施加预应力改变围岩内的应力状态，使围岩处于受控状态，通过改变围岩内部应力场提高锚固体的抗拉能力，提高锚固体抗剪切能力，确保围岩稳定性。②采用复式锚索桁架支护技术较普通单体锚索支护技术更有利于实现破碎顶板大跨度巷道的快速掘进，能提高矿井综合效益，为保证矿井安全高效生产提供了有力保障。

2 具有水平双向恒阻功能的新型锚索桁架研究

针对高水平应力作用下巷道顶板水平运动引起的破坏提供合理有效的控制方法。

2.1 现有锚索梁结构存在的问题

在煤巷支护技术中，锚索梁组合的桁架系统是有效的巷道支护手段。常用的托梁主要是槽钢、W钢带或钢筋梯子梁等。锚索锚固点位于巷道顶板探部不易破坏的三向受压煤岩体，不易受顶板离层和变形的影响，对锚索施加预紧力，当遇到高水平应力巷道时，巷道顶板的主要破坏形式为水平挤压-松扩变形。在顶板水平挤压的过程中，现场常遇到的情况是，锚索梁支护结构的托粱容易发生弯折、撕裂乃至永久失效，大大降低了对顶板破碎岩体的控制作用，造成大面积冒顶，严重影响矿井安全生产。

2.2 新型锚索桁架结构及其基本原理

在高水平应力下的大断面煤巷顶板岩层易于出现较大的水平运动，而岩层水平运动易造成巷道顶板挤压-松动扩容大变形，往往会沿巷道走向形成破碎带，易诱发大范围冒顶垮落事故，对巷道维护和工作面安全生产极为不利。针对上述问题及现有锚索粱结构的不足，设计了一种用于巷道顶板支护的新型锚索桁架结构，其结构简单，使用方便，其组合梁可以按巷道顶板岩层水平运动时对其产生的承载作用力的大小，调整其自身长度，达到抑制或适应巷道顶板水平挤压松扩变形的目的，并确保组合粱不会出现扭曲撕裂、断开失效等现象，防止巷道垮落冒顶事故的出现。设计的以两段式高强短钢梁和凹形搭接组件为主要部件的可伸缩锚索桁架结构，使用时，主槽钢与副槽钢内端搭接在一起，通过两片夹板及夹板两耳的螺栓锁紧，两槽钢外端开有锚索孔，锚索锚固点位于巷道顶板两侧肩角深部稳定岩层内，对锚索施加预紧力，使得槽钢梁紧贴顶板，对顶板垂直方向起到主动支护作用。该结构不仅保有桁架结构特性，而且能够适应并抑制顶板煤岩体水平大变形破坏的挤压—稳定—松扩全过程，具有连接牢固、稳定性好、双向恒阻等特点。

3 结语

复式锚索桁架能有效控制顶板下沉，减少巷道的维护量，节约维护成本。具有水平双向恒阻功能的新型锚索桁架，能针对高水平应力作用下巷道顶板水平运动引起的破坏提供合理有效的控制方法，为工作面布置顺利进行提供可靠的保障。