破碎圍巖巷道新型支護技術研究

李久云

（長治市煤礦安全儀器儀表檢測中心，山西 長治 046000）

隨著礦井開采由淺部向深部發(fā)展，地應力高、巷道圍巖破碎等問題越來越突出，對于該類巷道的支護越來越引起煤礦的重視。針對頂?shù)装迤扑?、圍巖松散的巷道通常采用架棚支護方式，單純采用架棚支護方式具有支護成本高、工人勞動強度大等問題，而且從現(xiàn)場實施情況來看，并未取得良好的支護效果。近年來，有學者提出采用全斷面錨桿（索）支護、超高強預應力錨桿支護、預應力錨桿+大跨度架棚支護等方式進行優(yōu)化設計，但對于破碎圍巖地質(zhì)情況，采用上述支護方式仍存在材料消耗大、施工難度大、安全隱患大等問題。在對不同支護方式優(yōu)缺點分析的基礎上，結(jié)合振興礦1513工作面工程地質(zhì)條件，提出了采用“短錨+輕架”的聯(lián)合支護方式，通過工業(yè)性試驗，取得了良好的支護效果，具有“低耗高強”的優(yōu)勢。

1 “短錨+輕架”聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)

本支護方式主要用于該礦1513工作面回采巷道（見圖1），主要采用短錨桿、短錨索與輕型金屬棚架相結(jié)合的支護方式，首先在圍巖面鋪設雙抗布，通過輕型金屬棚架后方的高強度鋼筋笆將其固定，而短錨桿和錨索經(jīng)金屬短梁與輕型金屬支架相互組合。

圖1 “短錨+輕架”支護結(jié)構(gòu)模型

“短錨”即錨桿及錨索長度均小于圍巖破碎區(qū)范圍，“輕架”即采用質(zhì)量較輕的11#工字鋼棚架。上述新型支護結(jié)構(gòu)中，錨桿選用直徑為22mm、長度為2500mm的高預應力左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每根錨桿配合2支Z2355的樹脂錨固劑；錨索選用直徑為17.8mm、長度為6000mm的預應力鋼絞線錨索，每根錨索配合1支K2355和3支Z23553樹脂錨固；雙抗布長、寬分別為4000mm和1000mm，壓茬長度100mm；高強度筋笆長、寬分別為1200mm和900mm，壓茬長度100mm，連接點間距小于200mm，通過12#鐵絲連接，所選用鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格長寬均為100mm，鋼筋直徑為10mm，聯(lián)合支護側(cè)視見圖2。

圖2 聯(lián)合支護側(cè)視

2 “短錨+輕架”支護機理

作為一種新型支護方式，“短錨+輕架”支護方式與其它支護方式的不同之處在于，錨桿與棚架除了各自發(fā)揮對圍巖的承載支護作用外，還能夠相互作用，促進彼此間承載能力的提高，其支護機理如下：

1）短錨桿能夠增加棚架支點數(shù)量，有助于提高棚架的穩(wěn)定性及承載能力。由于錨桿（索）穿過鋼棚，能夠?qū)斏吓锪杭皟蓭团锿忍峁┫鄳瓚Γ撟饔眯Ч刃в诮o棚架增加支點個數(shù)，從而減小了棚梁的跨度，將其從長跨靜定梁轉(zhuǎn)化為短跨超靜定梁，棚架的穩(wěn)定性大大提高，承載能力也更強，能夠抵抗更大限度的圍巖變形。

2）能夠減小圍巖松動圈范圍及內(nèi)部抗滑力，使錨桿（索）更好地發(fā)揮其主動支護作用。棚架對圍巖提供了初始支護阻力，而高強度筋笆網(wǎng)和雙抗布將圍巖密閉，在支護體共同作用下，巷道淺部圍巖裂隙得到封閉和壓實，圍巖的整體性能得到增強，錨桿（索）得到可靠的著力點，支護效果更好。而錨桿（索）支護阻力的增加又會促進棚架對圍巖的支護，二者相互促進，相得益彰，為圍巖穩(wěn)定保駕護航。

3）錨桿（索）支護屬于主動支護，棚架支護屬于被動支護，將二者聯(lián)合起來，實現(xiàn)了主動支護與被動支護的統(tǒng)一。棚架即獨立被動對圍巖施加支護阻力，同時作為錨桿（索）的長托盤對圍巖提供主動支護力，且該托盤支護范圍更大，錨桿（索）為圍巖提供的支護力也越大，最終實現(xiàn)對巷道圍巖的有效控制。

3 “短錨+輕架”支護結(jié)構(gòu)承載力分析

1）力學模型的建立

以梯形棚架為研究對象，對其受力進行分析，將棚腿底端A、D近似按照鉸支座處理，棚架的受力主要來自圍巖和錨桿，上覆巖層對棚架頂部載荷用q1表示，兩幫圍巖對棚架的載荷用q2表示，載荷數(shù)值通過現(xiàn)場實測得出，q1=35278.14 N/m，q2=25865.62 N/m，頂部錨桿支護阻力R3=R5=87 kN，頂部錨索支護阻力R4=193 kN，兩幫錨桿支護阻力R1=R7=83 kN，R2=R6=79 kN，最終建立的力學模型見圖3。

圖3 “短錨+輕架”力學模型

2）數(shù)值計算

本次數(shù)值計算采用ABAQUS軟件來進行，該軟件基于有限元進行工程模擬，所需各結(jié)構(gòu)部分的參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實測和實驗室試驗來取得，巷道梯形斷面上底寬3.38 m、下底寬3.82 m、凈高2.9 m，棚架主要采用11#工字鋼，其彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3，慣性矩為6.237×10-6m4，截面積為3.32×10-3m2，在數(shù)值計算中，將棚架工字鋼按梁單元來處理，工字鋼在受到覆巖載荷后主要發(fā)生彎曲變形。錨桿錨索結(jié)構(gòu)單元還要在棚架上施加載荷，因此在棚架上選定參考位置點，將布置在參考位置點的結(jié)構(gòu)單元與棚架固定連接，約束其移動。錨桿錨索對棚架的支護力按其施加的方向作用在參考位置點。棚架腿與巷道面的接觸按鉸接約束?，F(xiàn)場施工中所選用的11#工字鋼牌號為20 MnK，其屈服強度σx≥355 MPa，抗拉強度σb≥510 MPa，伸長率σs≥18%，將錨桿及工字鋼相關參數(shù)帶入計算可得，棚架結(jié)構(gòu)的最大承載力為279 MPa，并未超過其屈服強度極限，因此，該結(jié)構(gòu)能滿足支護的要求。

4 工程應用

1513工作面回采巷道處于盆地構(gòu)造帶內(nèi)，受到構(gòu)造地應力的影響，巷道圍巖發(fā)生嚴重的破碎變形，巷道掘出后，巷道頂板下沉量、兩幫移近量及底鼓量均較大，巷道圍巖整體承載性較弱，多處發(fā)生壓酥變形。隨著巷道不斷向前掘進，已掘好段巷道變形破壞嚴重，若繼續(xù)使用原錨桿（索）+金屬網(wǎng)的支護方式已經(jīng)無法保證巷道的安全快速掘進，因此基于上述理論分析，決定對后續(xù)掘進斷面采用新型“短錨+輕架”支護方式，為對比驗證巷道支護效果，分別在原支護段和采用新型“短錨+輕架”支護段內(nèi)設置若干礦壓觀測站，分別對巷道頂?shù)装逡平俣燃皟蓭鸵平俣冗M行礦壓觀測，采用“十字”絲法進行測量，兩幫及頂?shù)装遄冃芜x擇斷面成形較好的頂、幫錨桿端部點，對巷道圍巖變形量進行測量，以得知巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形量及變形速度，從而繪制見圖4的圍巖變形曲線。

巷道掘成后對巷道圍巖進行105 d的礦壓觀測，由圖4可知，新型支護方式巷道兩幫最大移近速度為0.6mm·d-1，而原支護方式巷道兩幫最大移近速度為0.9mm·d-1，到第75 d兩幫圍巖變形趨于穩(wěn)定；新型支護方式巷道頂?shù)装遄畲笠平俣葹?.5mm·d-1，而原支護方式巷道頂?shù)装遄畲笠平俣葹?.9mm·d-1，到第60 d頂?shù)装鍑鷰r變形趨于穩(wěn)定。與原支護方式相比，采用新型支護方式可使巷道圍巖變形量及變形速度降低，掘巷完成后，巷道圍巖能在更短時間內(nèi)變形得到收斂，巷道圍巖穩(wěn)定性更好。

圖4 不同支護方式巷道圍巖變形曲線

5 結(jié)語

1）“短錨+輕架”支護方式中錨桿與棚架除了各自發(fā)揮對圍巖的承載支護作用外，還能夠相互作用，促進彼此間承載能力的提高。

2）通過工業(yè)性試驗表明，采用該新型支護方式后，可使巷道圍巖變形量及變形速度降低，掘巷完成后，巷道圍巖能在更短時間內(nèi)變形得到收斂，巷道圍巖穩(wěn)定性更好。

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