东曲矿28206工作面开切眼桁架锚索支护技术研究与应用

马建红

（西山煤电集团东曲矿，山西 古交 030200）

1 工程概况

山西西山煤电东曲矿28206工作面开切眼主要用于采煤设备的安装，并连接两顺槽形成生产系统和通风系统，该切眼巷道8#煤煤层厚度约3.5m，煤层结构复杂，煤层倾向南西，平均倾角3°，煤层直接顶为泥灰岩，均厚1.65m，基本顶为石灰岩，均厚2.93m，直接底为砂质泥岩，均厚6.88m。

28206工作面开切眼设计断面为矩形断面，切眼断面宽度9.5m，高度3.5m，采用两次成巷的施工方式进行施工，第一次施工矩形断面5.5m×3.5m，待第一横开切眼施工完之后再刷大到设计要求断面，切眼采用锚杆索支护，第一次掘进导硐顶板及负帮锚杆间排距为800mm×800mm，锚杆预紧力大于70kN，顶板锚索间排距为1600mm×800mm，顶板钢筋梯子梁规格为5000mm×80mm，扩帮作业时顶板锚杆和锚索参数与导硐顶板支护参数相同，扩刷正帮锚杆的间排距为800×800mm，在扩帮作业时，同时在扩帮迎头前方50m范围支设π型梁+单体柱，采用“一梁三柱”布置，单体柱距离钢梁端头距离为100mm，一梁三柱的间距为1600mm，具体开切眼的支护形式如图1所示，开切眼在现有支护方式下围岩变形量较大，其中顶板下沉量较为明显，两帮破碎严重，急需对巷道开切眼的支护参数进行优化。

图1 28206工作面开切眼支护形式断面图

2 复合锚索桁架控制技术

复合锚索桁架控制技术主要是依据锚索桁架支护的原理，依据单式锚索作为支护的基本单元，基于其力学作用和设计方法，采取单循环或者双循环的方式，在间隔一定排距的基础上，在巷道不同断面上设计成错位重叠布置的方式，充分利用巷道顶板岩体的自身承载性能及力的传递作用，进而有效增强巷道围岩的稳定性，以此形成提高支护质量的支护方式[1-2]，具体复合锚索桁架控制技术的布置方式如图2所示。

针对大断面巷道采用的普通锚网索、单式锚索桁架等支护方式，复合锚索桁架所具有的优越性主要表现在以下几个方面：

1）该种支护对巷道顶板提供的水平力较为均匀，且较为合理，该种支护控制技术锚索桁架的三组锚索桁架分别布置在巷道中部及两侧，锚索桁架所能够提供的水平力可在顶板浅部的岩层内提供均匀的水平力。

2）复合桁架支护技术能够对大断面的巷道围岩的稳定性进行有效的控制，针对大断面巷道，若仅采用单式锚索桁架、内嵌组合方式或者反对称结构进行支护时，在锚索桁架的控制范围内无法满足维护顶板的要求，复合锚索桁架结构能够使得单一的锚索桁架结构的控制范围相互叠加，进而使得顶板岩体之间形成一定结构[3-4]。

3）复合锚索桁架控制技术中，桁架锚索提供的支护力较为合理均匀，三组锚索所提供的支护效果不同，其中巷道中部的桁架锚索以提供垂直方向的支护力为主，在巷道中部形成结构，其主要控制中部区域深部岩体的稳定；两侧桁架锚索对巷道主要提供水平力，且能够保障锚索的锚固点在巷帮以上的位置，进而保障顶板的稳定性；三组桁架锚索的组合支护能够充分发挥桁架锚索的顶板大结构特征，能够充分发挥每个桁架锚索的作用。

图2 复合锚索桁架支护技术示意图

3 复合锚索桁架方案及效果

3.1 支护参数确定

为有效确定28206工作面开切眼采用复合锚索桁架支护的各项参数，根据工作面的具体地质条件，采用FLAC3D建立数值模拟模型，模型尺寸为长×宽×高=80m×50m×40m，根据工作面顶底板岩层的资料对煤体及岩层的力学参数进行赋值，分别对桁架锚索的长度和搭接长度进行模型分析，数值模拟中采用螺纹钢锚杆，长度2.4m，直径20mm，锚索采用7股高强度钢绞线，直径为17.8m，顶板锚杆设置13根，中间锚索的角度设置为5°边角锚索的角度设置为15°。

3.1.1 桁架锚索长度的确定

为有效的保障复合桁架锚索控制技术的效果，现对桁架锚索的长度进行模拟分析，分别对桁架锚索长度为8m、9m、10m、11m和12m时巷道围岩的受力特征进行模拟分析，具体不同桁架锚索长度下围岩变形量的曲线图如图3所示。

图3 不同桁架锚索长度下围岩变形曲线

通过具体分析图3可知，在桁架锚索的长度由8m增大到12m时，此时28206工作面开切眼的围岩变形量呈现此处逐渐减小的趋势，当锚索的长度由8m增大到10m时，此时顶板下沉量和两帮的移近量分别减小25.3%和30.2%，当桁架锚索长度由10m增大到11m时，此时顶板下沉量及两帮移近量进一步较小，但从图3中能够看出，当桁架锚索长度大于10m时，此时随着锚索长度的增大，围岩变形量的减小量相对较小，锚索长度的增大对围岩的控制的维护效果相对较小，基于此可知，桁架锚索的长度10m为合理的长度。

3.1.2 桁架搭接长度的确定

不同桁架的搭接长度关系会在较大程度上影响复合锚索桁架控制技术的效果，基于此为确定合理的桁架搭接长度，分别对桁架搭接长度为-100mm、0mm、100mm、200m、300mm条件下围岩的变形情况分别进行模拟分析，具体不同排桁架搭接长度下围岩变形量如图4所示。

图4 不同桁架搭接长度下围岩变形量

通过具体分析图4可知，随着锚索桁架搭接长度的增大，围岩的变形量先出现减小的趋势然后出现增大的趋势，当桁架锚索的搭接长度从-100mm增大到200mm时，此时围岩两帮移近量增大了28.4%，顶板下沉量增大了22.5%，当搭接长度由200mm增大到300mm时，此时顶板下沉量和两帮移近量分别增大了1.6%和3.2%，基于上述分析确定合理的桁架锚索搭接长度为200mm，

在顶板锚杆13根，桁架锚索长度为10m，中间锚索角度为5°，不同排桁架锚索的搭接长度为200mm时，根基数值模拟结果得出该支护下围岩的塑性区发育，如图5所示，围岩塑性区发育范围相对不大，并未波及到锚索的锚固区域，基于此可知能够该支护能保障围岩的稳定。

图5 围岩塑性区发育范围图

3.2 支护方案设计

根据上述数值模拟及分析结果，并结合工作面的具体情况对28206工作面开切眼的支护方案进行具体设计：

1）顶板支护：在开切眼导硐侧，顶板锚杆采用无纵筋螺纹钢锚杆，参数为Φ20mm×2400mm，采用端头锚固，锚杆预紧力大于200N?m，锚杆的间排距为800mm×800mm，巷道断面内每排布置7根锚杆，在靠近扩帮侧的顶板锚杆用单体锚索代替，在靠近永久煤帮侧的锚杆与垂直方向成15°布置，其余锚杆垂直顶板布置，导硐侧锚索采用预应力钢绞线，参数为Φ17.8mm×10.3m，靠近永久煤帮侧和顶板的中线的锚索分别与顶板成15°和5°布置，设置锚索预紧力为140kN，当锚索送入孔底后采用专用锚索桁架、桁架连接器及配套锁具进行连接，设置不同排桁架锚索的搭接长度为200mm；扩帮侧顶板锚杆的各项参数与导硐侧相同，每排布置6根锚杆，靠煤帮侧的锚杆与垂直方向成15°布置，其余锚杆垂直顶板布置，扩帮侧锚索型号及支护参数同导硐侧，单体锚索距离永久煤帮1.75m，排距为1600mm。

2）两帮支护：导硐永久煤柱帮锚杆采用螺纹钢锚杆，参数为Φ20mm×2400mm，间排距为850mm×850mm，扩帮侧锚杆采用玻璃钢锚杆，参数为Φ20mm×2000mm，间排距为850mm×850mm，顶角及底角锚杆与巷帮成5°布置，其余均垂直巷帮布置；扩帮的正帮锚杆与导硐扩帮侧锚杆的型号相同，其间排距为700mm×800mm，顶角及底角锚杆与巷道成15度布置，其余垂直巷帮布置。

28206工作面开切眼最终整体支护图如图6所示。

图6 28206工作面开切眼整体支护图

3.3 效果分析

为验证巷道支护方式的合理性，采用十字布点法对巷道围岩变形监测，持续观测60天，根据监测数据，得出如图7所示的围岩位移—时间曲线。

图7 开切眼围岩位移—时间曲线图

通过分析图7可知，开切眼在0～20天内围岩变形量较大，在支护方案实施20d后，开切眼顶底板移近量及两帮移近量分别为85mm和43mm；随着锚索桁架支护完成天数的增大，开切眼围岩变形量逐渐趋于稳定，支护后20～58天范围内,围岩基本不出现变形，基于此可知围岩已经处于稳定状态，开切眼最终的顶底板及两帮最大移近量分别为88mm和47mm。巷道围岩变形量得到了有效控制。

4 结 论

通过分析28206工作面开切眼原有支护下存在的问题，并结合复合桁架锚索控制技术原理，确定采用复合桁架控制技术对开切眼围岩进行控制，基于数值模拟确定合理的桁架锚索长度10m，不同排桁架锚索搭接长度为200mm，结合开切眼具体情况对各项支护参数进行具体设计，根据矿压监测结果知，复合桁架锚索支护技术实施后，顶底板及两帮最大移近量分别为88mm和47mm，有效的保证了围岩的稳定。