锚索桁架支护在软岩煤巷掘进中的应用

时间：2024-07-28

史长军

（同煤集团四老沟煤矿，山西大同 037003）

1 概况

大同煤矿集团四老沟煤矿8106工作面顶抽巷位于主运大巷东北部，东部为8102工作面，北部、西部未开拓，上覆有该矿侏罗系4#、11#采空区。8106工作面顶抽巷设计长度为1388m，已由机掘一队施工215m，剩余1173m。巷道设计断面为宽×高=3.5×3.0m，巷道沿3～5#石炭系煤层掘进，无伪顶，直接顶主要以炭质泥岩及煤混合层为主，平均厚度为4.5m，其中煤层厚度为0.8m；基本顶主要以粉砂岩为主，平均厚度为8.9m。

8106顶抽巷初步设计中，顶板采用锚杆、锚索、金属网、钢带进行联合支护，巷帮采用单锚杆支护。由于8106顶抽巷与上覆4#、11#层采空区层间距为11.2m，受采空区压力影响，巷道在掘进时顶板压力集中现象明显，在前期掘进过程中顶板出现局部破碎及下沉现象，巷帮移近量加大，顶板最大下沉量达0.47m，巷帮最大移近量达0.56m。为保证巷道掘进安全，机掘一队采用架设工字钢棚及注浆进行加强支护，通过实际应用发现，架棚后顶板下沉速度虽然得到有效控制，但随着顶板裂隙延伸，顶板破碎范围扩大，顶板仍继续下沉。在支设完钢棚及注浆15d后顶板下沉量达0.54m，巷帮移近量达0.68m，部分钢棚顶梁出现弯曲、断裂现象。

2 原支护方案效果不好的原因分析

（1）巷道掘进后顶板形成承载梁结构，通过施工锚杆、锚索对承载梁进行加固，从而提高顶板稳定性，而锚杆、锚索主要通过悬吊作用及组合梁加固作用对顶板加固，且锚固端应位于顶板坚硬岩体内。8106顶抽巷直接顶主要以炭质泥岩、煤混合层为主，厚度为4.5m，受压影响该区域岩体出现破碎现象形成松动圈，而巷道设计锚杆长度为2.5m，锚固端位于松动圈内，无法对顶板承载梁结构起到悬吊和组合梁加固作用，而锚索为点性支护结构，无法对大范围顶板起到支护作用。

（2）在应力区巷道掘进时，巷帮与顶板存在错动的水平剪切力，这是造成巷帮位移的主要原因，采用单一锚杆支护时只是对巷帮局部进行维护，无法消除巷帮水平应力。

（3）应力集中区巷道掘进时采用钢棚、注浆等联合支护，不仅施工工序繁琐，还加大了劳动强度，而且支护费用高，支护效果差。根据8106顶抽巷前期支护现状分析发现，巷道掘进量仅为3.2m/d，单米巷道支护成本费用达470元。

3 锚索桁架支护方案

3.1 顶板桁架原理

桁架支护主要是在巷道顶板或巷帮稳定区施工倾角支护体，通过安装桁架连接器，使支护体之间形成闭锁结构，并与顶板或巷帮进行线或面接触，从而形成垂直岩体的承载力，削弱应力作用，提高岩体稳定性，同时可防止支护失效，如图1所示。

图1 煤巷顶、帮桁架支护原理示意图

3.2 顶板桁架支护材料选取

8106顶抽巷桁架支护体选取长度为6.5m、直径21.6mm高强度预应力钢绞线，顶板桁架选取长度为2.0m、直径30mm圆钢，顶板连接器选用特制的四孔张拉器，帮部桁架选取长度为1.6m、直径为30mm圆钢，连接器采用双孔张拉器。

3.3 顶板桁架支护设计

（1）8106顶抽巷顶板采用交叉式桁架支护。首先分别在距巷帮0.5m处施工两组肩角锚索，每组两根，锚索与顶板呈60°夹角，每根锚索采用三支锚固剂锚固，锚固后锚固力不得低于170kN，锚索外露长度为0.25m。两组肩角锚索间距为2.0m，施工在顶板钢带中间。

（2）在相邻两组肩角锚索外露端安装圆钢托架，并采用四孔张力器交叉预紧，预紧力不得低于150kN，相邻两组交叉桁架支护间距为2.0m。

（3）在相邻两组交叉桁架支护中间施工一组对拉桁架支护，施工工艺及技术要求与交叉桁架支护相同，如图2所示。

3.4 巷帮桁架支护

（1）8106顶抽巷帮部采用纵横交错式桁架支护，纵向桁架支护分别在帮部距顶板0.5m，距底部0.8m处分别施工两根倾角锚索，根据实验发现，倾角锚索与巷帮呈45°～55°左右时效果最好。倾角锚索施工完后，采用双向拉紧器进行预紧，预紧力不得低于100kN，纵向桁架支护间距为2.0m，桁架支护长度为1.6m，如图2所示。

（2）纵向桁架支护施工完后，在相邻两根纵向桁架支护之间施工两根横向桁架支护，第一根施工在距顶板0.6m处，第二根施工在距顶板2.1m，横向桁架支护长度为1.8m。

图2 8106顶抽巷顶板、巷帮桁架支护平面示意图