预应力桁架锚索支护与普通锚索支护的对比研究

张志刚

（同煤集团四老沟矿技术科， 山西 大同 037001）

引言

煤矿巷道的支护效果和质量直接决定工作面是否能够安全生产。目前，综采工作面巷道以锚杆锚索联合与钢带的联合支护为主，但是在实际支护过程中由于支护参数设计不合理以及施工质量不佳，导致最终支护强度不够，进而导致巷道顶板支护失效、钢带出现折断等现象。为此，随着对工作面巷道掘进的推进，工作面巷道受到动压的周期性影响，需及时对支护施加一定量的预紧力，保证顶板能够充分发挥其主动支护的作用[1]。本文着重对预应力桁架锚索支护的应用进行研究，具体阐述如下。

1 工程概况

某煤矿的设计生产能力为60 万t/年，该煤矿切眼跨度的宽度范围在8.6～10.6 m 之间，切眼高度为3.6 m，该煤矿的服务年限设计为40 年。本文将研究预应力锚杆锚索联合支护方案在某煤矿的应用效果，并与普通锚索锚杆联合支护的应用效果进行对比。以某煤矿的1301 工作面为研究对象，该工作面共包含有可开采煤层3 号煤层和4 号煤层。且3 号和4 号煤层的顶底板主要成分以砂质泥岩、泥质灰岩和粉砂质黏土岩为主。107 工作面的顶底板情况如表1 所示。

表1 107 工作面顶底板情况

经分析可知，1301 工作面属于不稳定岩层，因此在实际掘进和开采过程中需注重对巷道顶板的支护设计。

2 支护现状分析

目前，1301 工作面所采用的支护方式为普通锚索锚杆+钢带的联合支护。在实际生产过程中需对工作面围岩的变形情况进行监测，并得出如下结果：1301 工作面顶板的变形量和变形率较高，具体表现为：1301 工作面采用普通锚索锚杆+钢带的联合支护掘进1 个月后，工作面顶板的总下沉量约为500 mm，工作面顶板的变形率约为17.5 mm/d。

经统计，1301 工作面的失效形式主要表现为顶板锚杆失效、部分锚索被拉断、钢带被折断。综合表现为在巷道掘进过程中需后期维护的工作量较大，严重制约了工作面的掘进和生产效率。1301 工作面的顶板、两帮围岩变形如图1 所示。

图1 1301 工作面围岩变形监测结果

如图1 所示，在巷道掘进初期工作面顶板和两帮的变形速度在第一天达到最大值，分别为62 mm和27 mm，随着工作面的推进其变形速率逐步降低并趋于稳定；巷道顶板和两帮的变形量随着工作面的推进不断增高，并在生产50 d 后顶板变形量最大，达到700 mm，两帮变形量最大达到330 mm。

3 预应力桁架锚索与普通锚索支护机理对比

与普通锚索不同的是，预应力桁架锚索对巷道加固原理为，在基础锚索与锚固剂联合黏结作用的基础上，通过在端部锚头挤压的作用下对巷道的围岩提供长期有效的张拉力，进而达到实现围岩锚固的关键位置。为此，将预应力桁架锚索支护手段应用于1301 工作面的支护中。

总的来说，预应力桁架锚索支护一方面可以与工作面顶板在空间位移上达到位移变形相互协调的目的；另一方面在预应力桁架锚索支护的作用下保证支护强度与围岩的顶板和两帮的来压相互匹配[2]。

4 预应力桁架锚索支护方案的设计

预应力桁架锚索支护主要由桁架连接器、高强度钢绞线、锚具以及反扣装置等组成[3-4]。

针对1301 工作面的特征，本文选用新型连接器作为其桁架连接器，该连接器能够在水平和垂直方向同时提供足够的预应力，进而达到改善工作面围岩在水平和垂直方向的应力状态，使工作面围岩能够达到应力平衡的状态。结合1301 工作面的实际情况，选用14a 槽钢的预应力桁架的结构。

本设计是结合1301 工作面的实际情况对桁架锚索长度、桁架锚索预应力、桁架锚索角度、桁架锚索孔口帮距以及顶板锚杆的间距等参数进行优化设计和确定。为保证所得预应力桁架锚索支护参数、最终的支护效果和质量为最佳，本文采用正交试验的方法对上述参数进行最优选取[5]，结合1301 工作面的情况及设计经验，各个参数的取值如表2 所示。

基于FLAC3D 软件采用控制变量的原则，对工作面顶板下沉量、两帮水平位移以及底鼓变形量等围岩控制量进行综合考评，最终确定出最佳预应力桁架锚索支护参数的组合。经优化仿真，最终所得的最佳支护参数如下：桁架锚索的预应力为120 kN，桁架锚索角度为45°，桁架锚索长度为7 100 mm，锚索孔口间距为800 mm，顶板锚杆间距为800 mm。

表2 预应力桁架锚索支护参数取值

5 预应力桁架锚索支护效果验证

在对预应力桁架锚索支护参数优化设计的基础上，最终对1301 工作面的预应力桁架锚索锚杆+钢带的联合支护参数设计如下：

1）工作面顶板所采用预应力桁架锚索支护的间排距为1.6 m，锚索的长度为7.1 m。

2）工作面顶板所采用锚杆的直径为20 mm，锚杆长度为2 000 mm，锚杆的间距为800 mm，锚杆的排间距为800 mm；工作面所采用锚杆的参数与顶板一致。

3）工作面顶板所采用的金属网片由12 号铁丝制成，并为其配置直径为10 mm 的钢筋梁。

将上述支护参数分别体现于1301 工作面的支护实施中，并在工作面选取3 个监测点，对采用预应力桁架锚索支护后工作面的围岩控制效果进行为期两个月的监测，监测结果如图2 所示。

图2 预应力桁架锚索支护效果（顶板）

如图2 所示，基于预应力桁架锚索支护后，工作面顶板的最大变形量由之前的700 mm 降低至196 mm（3 号测点）。且采用预应力桁架锚索支护后，1301 工作面在17 d 后达到应力平衡状态。

6 结论

1）结合1301 工作面的情况，其对应的最佳预应力桁架锚索支护的参数为：桁架锚索的预应力为120 kN，桁架锚索角度为45°，桁架锚索长度为7 100 mm，锚索孔口间距为800 mm，顶板锚杆间距为800 mm。

2）经实际支护监测数据可知：采用预应力桁架锚索锚杆+钢带联合支护后，顶板和两帮的围岩得到明显控制，且在工作面推进过程中未出现岩层离层的现象。