桁架錨桿應用與發(fā)展

1、桁架錨桿支護技術的應用和發(fā)展摘要： 隨著科技興煤戰(zhàn)略的不斷實施，高產(chǎn)高效工作面的數(shù)量不斷增多，相應的工作面產(chǎn)量也不斷增加，受到運輸和通風影響，回采巷道斷面也必然增加，這對于巷道支護有了更高要求，桁架錨桿技術的應用在一定程度上解決了單體錨桿不能解決的巷道支護問題，桁架錨桿主要由兩根安裝于頂板兩肩角具有一定傾角的傾斜錨桿和與兩根傾斜錨桿錨尾有力學聯(lián)系的拉桿組成，是一種能在巷道頂板的水平和垂直方向同時提供擠壓應力的主動支護結構，桁架錨桿技術的發(fā)展，使之適應了多種不同條件下的巷道支護，使巷道支護的效果得到了很大改善。關鍵字：桁架錨桿 斷面 支護結構1 桁架錨桿支護技術的發(fā)展和作用機理桁架錨桿支護技術是

2、我國80年代后期90年代初發(fā)展起來的一種新型支護方式，它是在錨桿支護的基礎上發(fā)展起來的。該種支護不僅適用于巷道頂板穩(wěn)定或較穩(wěn)定的地質條件，而且適用于受采動影響的或巷道頂板巖石不穩(wěn)定 (塊狀多層、破碎)的惡劣頂板條件，還能夠應用在大斷面、大跨度的平頂巷道中。1桁架錨桿是一種能夠在巷道頂板的水平及垂直方向同時提供擠壓應力的主動支護結構，一般由頂板錨桿、拉桿和托架組成。頂板錨桿的數(shù)量由頂板的條件所決定，通常為位于井巷兩角上的兩根傾斜錨桿。當巷道跨度較大或頂板巖石不穩(wěn)定時,可用多根。桁架錨桿的作用機理如圖1.1所示，在拉桿和兩傾斜錨桿的協(xié)調作用下,隨著巷道頂板的彎曲變形,桁架錨桿會使巷道頂板的內部產(chǎn)生

3、更大的水平擠壓應力,巷道頂板與桁架錨桿之間存在著作用與反作用及相互制約的關系。一方面依靠拉桿預加的拉緊力和傾斜錨桿錨固后的預緊力可在頂板圍巖中形成一個擠壓區(qū),改變了圍巖的受力狀態(tài)，提高了頂板圍巖的強度，使頂板的“中性軸”下移,減小了頂板內部和其表面的張應力,增加了頂板圍巖的抗彎強度,因此提高了頂板承受上部巖層載荷的能力,并且保持了自身的穩(wěn)定;另一方面,當頂板發(fā)生彎曲變形和下沉時,通過頂板表面對桁架拉桿產(chǎn)生的作用,使拉桿受到更大的張拉力,而此時拉桿與傾斜錨桿的共同作用使頂板內部及其裂隙體中產(chǎn)生較大的擠壓應力和摩擦力,減小甚至抵消巷道頂板可能產(chǎn)生的拉應力,從而阻止頂板的進一步彎曲和下沉,使頂板趨于

4、穩(wěn)定。21 頂板錨桿 2合力 3 拉緊力 4 托盤 5 拉桿 6 巷道壁圖1.1 桁架錨桿支護原理2 煤巷組合桁架錨桿支護效果探討32.1 模擬設計和實驗2.1.1實驗方案試驗選擇了三個模型，模型I是工字鋼支護巷道，如圖2.1所示；模型是錨梁網(wǎng)支護巷道，如圖2.2所示；模型是組合桁架錨桿支護巷道，如圖2.3所示，模型的巷道頂板錨桿6根,模型巷道頂板錨桿4根;模型和巷道兩幫采用布置方式相同的模擬錨桿支護；圖2.1 工字鋼支架布置圖圖2.2 錨梁網(wǎng)支護布置圖2.3 桁架錨桿布置2.1.2 參數(shù)選擇1、模型比例本次試驗采用臥式加載方式，不考慮容重相似。模型的幾何尺寸: ，模擬巷道規(guī)格: ；幾何相似比

5、: ；應力相似比: 。2、巷道圍巖相似材料試驗選用的模型相似材料是以水泥和石膏為膠結料,砂子作骨料按一定比例配制而成的,具體參數(shù)見表1。表2.1 模型材料配比和強度巖性相似材料抗壓強度（MPa）配 比砂（%）水泥（%）石膏（%）煤0.892.82.94.3粉砂巖1.8988.97.73.4中、細砂巖3.0687.58.73.83、支架相似材料所要模擬的錨桿是直徑為14mm的H型可拉伸錨桿,要同時滿足錨桿的幾何相似和力學相似是十分困難的,試驗時材料的選擇只考慮滿足錨桿的力學相似和長度相似,選擇的模擬錨桿力學特性見表2。表2.2 錨桿力學參數(shù) 力學參數(shù)錨桿類型屈服荷載最大拉斷荷載延伸率（%）長度（

6、mm）H型錨桿44 kN69kN16.721.71750模擬錨桿3.4 N4.8N17.960所要模擬的工字鋼是12#礦用工字鋼,經(jīng)過計算其承載能力為207 kN,實驗時相似模擬材料選用鋁條，鋁條的規(guī)格：，承載能力為28.8 N。2.1.3 圍巖破壞情況通過實驗得知，模型的巷道已嚴重破壞，在巷道兩角處產(chǎn)生了明顯的剪切裂隙，頂板淺層部分產(chǎn)生了嚴重的離層現(xiàn)象，兩幫破壞達7 cm深，支架全部折損，底板已剝落1 cm厚，2 cm深處產(chǎn)生大的離層，3 cm深處有明顯的水平裂隙；模型的巷道頂板中間產(chǎn)生較大裂隙，并與上部6 cm深處的離層貫通，兩幫圍巖部分垮落，并且大多數(shù)錨桿被拉斷，底板兩角的剪切裂隙與水平

7、裂隙貫通，巷道的整體變形介于模型和模型的巷道變形之間；模型的巷道頂板基本完好，兩幫裂隙始于底板呈拋物線狀向頂板方向發(fā)育，裂隙發(fā)育5 cm深，底板兩角剪切裂隙發(fā)育，較之前兩種模型，巷道破壞程度最低。根據(jù)模型巷道的破壞情況，組合桁架錨桿支護效果最好，錨梁網(wǎng)支護效果次之，工字鋼支護效果最差。2.1.4 位移觀測結果模型巷道周邊位移與荷載的關系如圖2.42.7所示。曲線、分別代表工字鋼、錨梁網(wǎng)和析架錨桿模型巷道的圍巖變形。它們的變形特點綜述如下:(l)無論荷載高低,工字鋼支護的巷道變形量最大，組合析架錨桿和錨梁網(wǎng)支護的巷道圍巖變形量均小于工字鋼支護的巷道變形量。試驗加載至5.28 MPa時,錨桿支護巷

8、道的頂板最大下沉量只有工字鋼支護巷道的50%左右；底鼓量只有工字鋼支護巷道的60%左右；兩幫移近量為工字鋼支護巷道的40%左右；錨桿支護的巷道變形量明顯小于工字鋼支護的巷道變形量。(2)桁架錨桿支護的巷道頂板下沉量小于錨梁網(wǎng)支護的巷道。但是當荷載小于3.3 MPa時,桁架錨桿支護的頂板下沉量大于錨梁網(wǎng)量；而當荷載大于3.3 MPa后,桁架錨桿支護的頂板下沉量逐漸小于錨梁網(wǎng)支護的頂板下沉量；差值最大時桁架錨桿支護的頂板下沉量僅有錨梁網(wǎng)支護的頂板下沉量的70%左右；在荷載大于4.2 MPa后，桁架錨桿支護的頂板頂沉速率有增大的趨勢,加載至5.28 MPa時,桁架錨桿支護的的頂板下沉量增加至錨梁網(wǎng)支

9、護的頂板下沉量的78%左右。(3)加載結束時,桁架錨桿支護的巷道兩幫移近量、底鼓量均大于錨梁網(wǎng)支護的巷道。但是在荷載小于4.2 MPa時,桁架錨桿支護的巷道頂?shù)装逑鄬σ平俊⒌坠牧亢蛢蓭妥冃瘟糠謩e只相當于錨梁網(wǎng)支護的75%、75%和53%左右；當荷載大于4.2 MPa后,桁架錨桿支護的巷道底板和兩幫變形速度增大,到加載至5.28MPa時桁架錨桿模型巷道的頂?shù)装逡平俊⒌坠牧亢蛢蓭妥冃瘟吭黾訛殄^梁網(wǎng)支護的110%左右。圖2.4 頂板下沉與載荷的關系圖2.5 頂?shù)紫鄬σ平亢洼d荷的關系圖2.6 底鼓量和載荷的關系曲線圖2.7 兩幫相對移近量和載荷的關系2.2 試驗結果分析2.2.1 支架支護機理分

10、析根據(jù)桁架錨桿支護機理,經(jīng)力學分析,可概述為以下幾方面:（1）若給拉桿施加一定的預緊力,它能給巷道頂板提供及時地拉力和水平擠壓力,增加頂板的抗彎能力和頂板跨座處的抗剪切能力,對于有弱面的巷道頂板通過桁架錨桿支護還可以增大弱面的磨擦力。（2）隨著巷道頂板變形量增大, 通過頂板對桁架拉桿產(chǎn)生的作用,使拉桿受到更大的張拉力,它對頂板產(chǎn)生的擠壓力也增大。（3）能把巷道頂板中的部分荷載向巷道兩幫深處轉移,相應的減小了巷道兩幫表層所承受的載荷。（4）桁架錨桿支護的重點是頂板淺部受張力和剪切力最大處，也就是頂板變形和破壞的最為嚴重的地方。（5）在桁架錨桿的擠壓應力區(qū)打垂直錨桿,對頂板淺層有減小跨度和懸吊的作

11、用,同時還有擠壓加固組合梁的作用。錨梁網(wǎng)的支護特性:除具有一般錨桿的支護特性,即懸吊作用、組合梁作用、楔固作用和擠壓加固作用外,其獨特之處是充分發(fā)揮了錨桿群的整體效應，增加了錨桿的整體性 ,不會因個別錨桿失效危及支護效果。工字鋼支護是一種被動的支護形式，它需要等圍巖產(chǎn)生變形后才能起支護作用；工字鋼支護的可縮量小,不適應煤巷圍巖變形量大的巷道。2.2.2 試驗結果分析試驗結果表明模型和模型的巷道周邊位移明顯小于模型的巷道周邊位移，這說明錨桿支護有利于維護巷道穩(wěn)定，剛性工字鋼支架不適應煤巷的變形規(guī)律，該試驗結果與它們的支護機理是一致的。試驗加載結束時,桁架錨桿支護的巷道頂板下沉量小于錨梁網(wǎng)支護的巷

12、道頂板下沉量,這是它們各自支護機理的必然結果。但是在加載初期,桁架錨桿支護的巷道頂沉量大于錨梁網(wǎng)支護的巷道頂板下沉量,這是由于實驗條件的限制沒有對桁架錨桿施加預緊力,載荷加載初期桁架錨桿對巷道頂板的擠壓加固作用較小,同時桁架錨桿中垂直錨桿數(shù)量少于錨梁網(wǎng)的,其懸吊作用也不如錨梁網(wǎng),因此在加載的初始階段,模型比模型的巷道頂板下沉量小。由桁架錨桿支護機理可知,隨著頂板彎曲下沉量增大, 不僅垂直錨桿的懸吊作用增強，而且桁架錨桿對頂板的擠壓力也增大,這樣就有效地減緩了頂板的下沉速度,最終也減小的頂板下沉量。因此,到一定荷載后,模型的頂板下沉量大于模型的巷道頂板下沉量,所以加載結束時桁架錨桿支護的巷道頂板

13、下沉量小于錨梁網(wǎng)的巷道頂板下沉量。以上分析表明,桁架錨桿比錨梁網(wǎng)更能適應煤巷的圍巖變形特點,如果能對其施加足夠的預緊力,更有利于對巷道進行及時支護,充分發(fā)揮桁架錨桿的作用。試驗結果顯示,在荷載小于4.ZMPa時,模型n的巷道兩幫和底板移近量大于模型111的,這是因為析架錨桿較大幅度地提高了巷道頂板的承載能力,同時把頂板的部分荷載向巷道兩幫深處轉移,相對減少了兩幫淺層的荷載作用.但是隨加載量的增大,析架錨桿傳遞給巷道兩幫的附加荷載也逐漸增大,由此導致巷道兩幫淺層承載量增大,變形速度隨之增加,所以在加載大于4.2MPa后巷道兩幫和底板移近量大于錨梁網(wǎng)的。巷道兩幫和底板移近量增加必然導致頂板下沉速度

14、有增大,因此荷載大于4.ZMPa后巷道頂板變形速度有增大的趨勢。這說明加強巷道兩幫的支護能夠提高彬架錨桿支護巷道的承載能力,使其在高荷載作用的巷道也能發(fā)揮優(yōu)勢。2.3 結論(l)組合桁架錨桿不僅具有錨梁網(wǎng)和桁架錨桿的雙重作用,而且由于其中的垂直錨桿錨固在桁架錨桿的擠壓應力區(qū)內,大大提高了它對巷道頂板的懸吊減跨作用。它對巷道具有良好的支護效果,是巷道錨桿支護發(fā)展的方向。(2)隨著巷道頂板變形量增大, 組合桁架錨桿對頂板的支護強度也將隨之增加,能夠有效減緩巷道變形速度，減小巷道變形量。該類支架能很好地適應巷道圍巖的變形規(guī)律。(3)在承受高荷載的巷道(或深井巷道)中,組合桁架錨桿將給巷道兩幫產(chǎn)生較大

15、的附加應力,因此必須加強巷道兩幫支護,才能在深部巷道中發(fā)揮更好的支護效果。(4)在巷道支護初期給組合桁架錨桿施加足夠的預緊力,能夠使它及時地支護巷道,有效地維護好巷道。3 桁架錨桿與普通錨桿對頂板的支護效果分析2 3.1 普通錨桿的作用機理普通錨桿支護作用機理主要是錨桿群的共同作用在巷道圍巖內部形成支護結構,通過該種支護結構承受巷道外載,使巷道圍巖保持穩(wěn)定。巷道開掘后,原來處于平衡狀態(tài)的圍巖應力受到破壞而產(chǎn)生應力集中并重新分布，在這個過程中,巷道圍巖應力由原來的三向應力狀態(tài)變?yōu)閮上蚧蛘邌蜗驊顟B(tài),圍巖出現(xiàn)破壞區(qū)和塑性區(qū),此時巷道若沒有得到及時有效的支護,則巷道的破壞區(qū)和塑性區(qū)會越來越大,巷道

16、圍巖就不可能處于穩(wěn)定狀態(tài)。合理的普通錨桿(群)的及時支護,使巷道表面圍巖由受開挖影響形成的雙向或單向應力狀態(tài)恢復為三向應力狀態(tài),而且錨桿群的共同作用使錨桿在其長度范圍內的巖(煤)體內部形成具有一定承載能力的內部支護結構。隨著巷道圍巖的變形,錨桿群的工作阻力隨之增大,在錨桿軸線方向的圍壓也隨之進一步加大,從而增加了巷道圍巖的內聚力,提高了錨固體的強度(莫爾應力圓右移)和內部支護結構的承載能力,阻止巷道圍巖破壞區(qū)和塑性區(qū)的擴大,減小了巷道圍巖的變形,使巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)。3.2 支護效果分析由桁架錨桿和普通錨桿的支護作用機理分析可知,桁架錨桿在頂板錨固范圍內部主要作用是產(chǎn)生水平方向的擠壓應力,對層面

17、間的壓應力影響作用不大;普通錨桿支護在頂板錨固范圍內部主要是產(chǎn)生錨桿軸線方向的擠壓應力,使在錨固長度一定范圍內的巖(煤)層形成強度更高的內部圍巖支護結構。根據(jù)對同樣地質條件(直接頂粉砂巖厚度4 m左右,頂板表面以上0.9 m、2.0 m處存在弱面)的開切眼(桁架錨桿支護,錨桿長度2.2 m)和運輸巷(普通錨梁網(wǎng)支護,端頭錨固,錨桿長度1.8 m)頂板聲波速度測試結(如圖3.1所示)及兩種錨桿支護的支護機理分析可得出桁架錨桿和普通錨桿支護對頂板的不同作用效果。圖3.1 兩種不同支護形式的頂板內部聲波速度 (1)桁架錨桿支護使頂板圍巖從巷道表面開始到錨頭端的整個錨固范圍內均處于高水平應力狀態(tài),有利

18、于減小或抵消在巷道表面產(chǎn)生的最大拉應力,從而提高頂板的承載能力和抗彎能力。由于巷道頂板一旦產(chǎn)生彎曲變形并與拉桿發(fā)生作用,頂板內部水平壓應力便產(chǎn)生一個增加量,與此同時桁架錨桿對頂板產(chǎn)生反作用,限制頂板進一步彎曲下沉,這個反作用使頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見桁架錨桿具有使頂板盡快處于穩(wěn)定狀態(tài)、有效阻止頂板彎曲下沉的特性。(2)由于桁架錨桿提供給巷道頂板的主要是水平擠壓壓應力,頂板層面或弱面間的軸向壓應力較小,因此層面或弱面之間“壓密”程度較小(聲波速度較低),弱面或層面間容易產(chǎn)生離層。為了防止這一現(xiàn)象的產(chǎn)生,桁架錨桿必須在頂板內部產(chǎn)生足夠的壓應力或在兩傾斜錨桿之間的頂板安裝足夠的垂直于頂板巖層的加強

19、錨桿。(3)普通錨桿(群)支護的頂板,只有其錨固范圍中部約錨桿有效長度的三分之一范圍的錨固體處于“致密”狀態(tài)(聲波速度較高),這說明普通錨桿支護在頂板存在一定范圍的內部支護結構,它承受著頂板的外載,控制著頂板的變形量和破壞程度。顯然,該內部支護結構承受外部載荷的能力受它的厚度和強度所決定。(4)在錨桿錨頭端,由于受到錨桿軸向工作阻力和巷道表面變形的共同作用,測得的聲波速度較低,加之頂板表面以上2.0 m處有一弱面,使得頂板表面以上1.52.1 m范圍內處于低聲速段,頂板存在離層隱患。為防止頂板離層,普通錨桿支護必須在頂板內部形成足夠強度和支撐能力的內部支護結構。3.3 結論與建議(1) 在頂板

20、全部錨固區(qū)內采用桁架錨桿支護產(chǎn)生擠壓應力區(qū),這種支護效果提高了頂板的抗彎能力。桁架錨桿與頂板的相互作用,能使頂板盡快穩(wěn)定,有效的阻止了頂板的彎曲變形和離層現(xiàn)象的發(fā)生。,桁架錨桿在頂板內部的支護高度和水平壓應力必須足夠大才能達到預期效果，同時盡可能將頂板施加給兩幫的垂直壓力向巷道兩幫深部轉移。(2)對桁架錨桿支護技術的建議:傾斜錨桿的傾角應保持在4060范圍之內,傾斜錨桿的長度應滿足其在水平方向的投影長度深入巷道幫內的深度不小于500 mm,傾斜錨桿宜采用端頭錨固或加長錨固,傾斜錨桿必須具有足夠的抗拉強度和抗剪強度；拉桿根據(jù)頂板的完整性可設計為接頂或不接頂；從技術及經(jīng)濟的角度看,桁架錨桿適用于頂

21、板跨度大于4.0m的大跨度巷道的頂板支護。根據(jù)條件頂板可采用復式桁架錨桿或連續(xù)桁架錨桿支護,必要時應在頂板兩傾斜錨桿之間安裝一定數(shù)量、垂直于頂板的加強錨桿,以保證頂板支護的可靠性。(3)普通錨桿支護的關鍵是能否在錨桿錨固范圍內形成一定強度和厚度的內部支護結構,兩者共同決定該內部支護結構的支撐能力。在巷道圍巖單向強度為定值時,內部支護結構的強度主要決定于單根錨桿可具備的工作阻力,錨桿對錨固體沿錨桿軸線方向的擠壓力愈大,內部支護結構的強度愈高;內部支護結構的厚度主要由錨桿的長度和間排距決定。錨桿的長度愈長、間排距愈小,內部支護結構的厚度愈大。(4)普通錨桿支護應采用錨桿長度中部(范圍不低于錨桿有效

22、長度三分之一)具有較高工作阻力的錨桿。為此,可采用以下支護建議:選擇抗拉強度較高的材質制造錨桿；錨桿采用全長錨固。此外可適當加大錨桿的有效長度。4 桁架錨桿技術的應用4.1 桁架錨桿在特大斷面開切眼中的支護本文主要基于東龐礦實驗研究4，東龐礦相應地質條件：厚煤層(4.4一4.8 m)，一次采全高綜采特大斷面開切眼的 (切眼高度為3.5 m,寬為6.8 m,機窩處寬為7.8 m,轉盤懸頂面積為60 m2), 研究設計采用交錯復式桁架描桿組合支護。4.1.1 支護形式由于大采高綜采設備外型尺寸大,噸位重,為了方便設備安裝,要求切眼的尺寸也較大, 如果按傳統(tǒng)支護形式采用木材支護，不僅坑木耗量大,而且

23、切眼維護也十分困難,切眼中木柱多,妨礙綜采支架搬運,影響安裝進度和質量?，F(xiàn)采用桁架錨桿支護技術，頂板桁架錨桿采用兩組單式桁架錨桿交錯復合而成的支護型式(稱為交錯復式析架錨桿)。這種型式的支護不僅有利于掘進施工,而且在大跨度切眼中形成一個較為可靠的擠壓加固帶,并且可使壓應力在巷道跨度中央疊加,形成高壓應力區(qū),從而可減少切眼跨度中央的頂板彎曲下沉。切眼中各交錯復式桁架錨桿數(shù)量、間排距如圖4.1所示。圖4.1 桁架錨桿布置圖4.1.2 支護效果通過對觀測站內各觀測地點的觀測，采用桁架錨桿支護的開切眼圍巖表面變形有以下特點A、頂?shù)装逑鄬σ平俊㈨敯逑鲁亮慷己苄?。采用桁架錨桿支護的開切眼與相同斷面但采用

24、木支護的開切眼同期觀測數(shù)據(jù)相比,前者切眼跨度中央頂板下沉量明顯小于后者的頂板下沉量。此外,采用木支護的開切眼由于頂?shù)装逡平看?曾進行多次較大整修,尤其是轉盤處圍巖變形嚴重,而采用桁架錨桿支護的開切眼直至安裝支架、設備完畢,共計135 d,沒有維修過一次,轉盤處圍巖也比較穩(wěn)定，大大的節(jié)省了時間，縮短了搬家所需時間，提高了工作效率。B、巷道掘進后圍巖變形很快即趨于穩(wěn)定。采用桁架錨桿支護的開切眼圍巖變形受掘進影響的時間短,頂板的相對移近速度由10 mm/d以上降到l mm/d以下僅為4天,如此快的穩(wěn)定速度是其它支護形式所不具有的。C、通過聲波對頂板進行測量聲波量測結果如圖4.2所示。聲波量測曲線表

25、明:頂板0.9 m、1.82.l m及2.7 m深處巖層中存在弱面或軟弱夾層；在0.9 m以下靠頂板表面處聲速較高,表明淺層圍巖較致密完整,未因采掘影響而產(chǎn)生裂隙。對照同樣頂板條件,采用錨梁網(wǎng)支護的開切眼兩個孔聲波量測數(shù)據(jù)(如圖4.3所示)可見:下巷測站處頂板表面至0.6 m聲速較低,表明頂板圍巖在0.6以下已有裂隙,因無其它原因,故此裂隙顯然是受巷道開掘影響而產(chǎn)生的。圖4.2 工作面切眼頂板聲波量測曲線圖4.3 工作面下巷頂板聲波量測曲線以上測量數(shù)據(jù)充分說明:因桁架錨桿支護結構使頂板巖層內有較高的擠壓應力,使頂板抗彎能力較高,所以,雖然切眼跨度較大,然而頂板卻不易彎曲,故頂板圍巖淺部不易產(chǎn)生

26、拉應力裂紋而較完整,其支護效果較錨梁網(wǎng)更好。4.1.3 結論在特大斷面開切眼中,采用交錯復式桁架錨桿組合支護,使大跨度、大斷面巷道頂板中既有垂直壓應力又有水平擠壓應力。同時,在易于變形下沉的頂板跨度中央形成應力疊加區(qū),從而使頂板圍巖變成高壓應力加固的巖梁結構,對增加大跨度頂板的抗彎能力,減少頂板的彎曲下沉,提高頂板自身承載能力有顯著效果。桁架錨桿對大斷面煤巷具有良好的支護效果。實踐表明:A、這種支護方式能使大跨度、大斷面的開切眼圍巖受掘進影響的時間明顯短于其它支護方式,使圍巖變形產(chǎn)生快速穩(wěn)定現(xiàn)象,大大減小了圍巖表面及深部的位移量,并使頂板淺部拉應力顯著降低,從而減少甚至不產(chǎn)生因掘進影響而形成的

27、裂隙,使圍巖整體穩(wěn)定。巷道兩幫維護條件相同的情況下,埋深較淺時用復式桁架錨桿支護效果較好;埋深很大時宜用單式桁架錨桿。B、在特大斷面切眼中,交錯復式析架錨桿組合支護大大優(yōu)于傳統(tǒng)的木支護,也優(yōu)于錨梁網(wǎng)支護, 強巷道兩幫的支護,能擴大桁架錨桿的適用范圍,即使是復式桁架在較大埋深時也能較好地維護巷道頂板，可在平頂形大斷面巷道、桐室及交叉點推廣應用。4.2 錨桿索桁架控制系統(tǒng)在高應力巷道中的支護5本文主要基于峰峰集團新三礦的實驗研究。對于高應力大斷面復合頂板巷道來說，對頂板的控制是支護的關鍵，當頂板維護不當時，不僅導致頂板離層或下沉量加大，易誘發(fā)冒頂事故，而且還使兩幫塑性區(qū)擴展的速度加快和范圍加大，從

28、而導致巷道圍巖整體變形破壞。4.2.1 高應力復合頂板煤巷變形特征研究在高應力作用下，結合置換煤巷頂板煤巖層物理力學參數(shù)，在巷道高度 L 取4.5 m不變的情況下，隨巷道跨度 D 增大（D 分別取3.5、4.5、5.5、6.5 m 時）模擬巷道圍巖塑性區(qū)分布及位移變形特征，分別如圖 4.4、4.5 所示，圖例由上至下依次為無、剪切屈服及恢復區(qū)、剪切屈服及剪切，張拉恢復區(qū)、剪切恢復區(qū)。圖4.4 不同寬度時巷道圍巖塑性區(qū)分布圖4.5 不同寬度時巷道圍巖變形量4.2.2 支護形式錨桿索桁架控制系統(tǒng)如圖4.6所示，主要由長錨索、高強錨桿、鋼筋梯子梁和專用聯(lián)接器組成，錨桿索桁架系統(tǒng)主要是通過高強錨桿和錨

29、索桁架共同作用來完成對高應力大斷面復合頂板巷道圍巖控制；巷道掘進后，將單排 2根大直徑錨索沿一定的角度伸入頂板深部穩(wěn)定巖層中，錨索起關鍵的支撐作用，來保障大斷面復合頂板巖層“大結構”的穩(wěn)定性；高強錨桿和鋼筋梯子梁串接，與頂板淺部圍巖形成支護拱結構，共同組成頂板“索-拱”支護結構。錨桿索桁架控制系統(tǒng)合理參數(shù)設計流程如圖4.7所示。圖4.6 頂板錨桿索桁架支護結構圖圖4.7 錨桿索桁架系統(tǒng)合理參數(shù)設計流程圖4.2.3 支護效果本文通過支護系統(tǒng)安裝后頂板圍巖隨支護時間變形圖對頂板無支護、傳統(tǒng)錨桿索支護與錨桿索桁架支護進行對比研究： （1）頂板無支護時頂板變形量與支護時間關系如圖4.8(a)中曲線 1

30、 所示，0 t0段為巷道開掘后巷道頂板圍巖自穩(wěn)階段，頂板圍巖由三向受壓狀態(tài)轉為雙向受壓，頂板巖層剛強度差異較大，巖層間表現(xiàn)為離層，頂板圍巖整體出現(xiàn)一定的下沉，但巖層間的粘結力作用使頂板結構暫時未出現(xiàn)破壞；t0 t1段，由于巷道斷面大，頂板圍巖承受的應力高，隨開掘時間的增加，頂板圍巖結構出現(xiàn)破壞，頂板變形速率增大，頂板出現(xiàn)較大的下沉量；t1 t2段，頂板變形量繼續(xù)發(fā)展，當變形量超過頂板圍巖極限變形量時，頂板變形速率呈倍數(shù)增大，并在較短時間內超越頂板自穩(wěn)極限值，頂板發(fā)生冒頂災害事故。（2）傳統(tǒng)錨桿支護時頂板變形量與支護時間關系如圖 4.8(a)中曲線2所示，0t3段，巷道開掘后，頂板在巖層間形成的

31、自穩(wěn)結構和錨桿支護形成的厚層拱形結構共同作用下，頂板出現(xiàn)一定的變形，但變形量不大，且由于高應力作用下大斷面頂板中部區(qū)域拉應力隨時間快速增大，頂板深部巖層間出現(xiàn)較大離層，淺部錨桿支護形成的拱形加固層整體出現(xiàn)下沉，此時出現(xiàn)兩種變形類型，如圖 4.8(a)中曲線3和曲線 4所示，其中曲線 3 為頂板巖層剛強度差異較大或由軟弱巖層組成，頂板變形速率加快，當超過頂板圍巖結構承載極限時，頂板出現(xiàn)大面積的破壞和垮冒，曲線 4 是在頂板巖層差異不大且強度較大時，出現(xiàn)頂板大變形，但頂板破碎巖塊間形成承載結構，能保持頂板的基本穩(wěn)定，但若出現(xiàn)應力擾動情況，易發(fā)生突發(fā)性垮冒。（3）頂板錨桿索桁架支護頂板變形量與支護時

32、間關系如圖 4.8(b)所示，0 t0段，巷道開掘后頂板應力狀態(tài)改變，使得頂板圍巖出現(xiàn)小幅下沉，但由于采用高預應力錨索桁架與高強錨桿聯(lián)合支護，使開掘后的頂板雙向應力狀態(tài)轉為近似三向應力狀態(tài)，頂板深部巖層離層量小；t0 t1段，高強錨索桁架形成的預應力索結構有效控制頂板深部巖層離層的發(fā)展，而高強錨桿形成的預應力剛性拱結構保障了頂板淺部圍巖結構的穩(wěn)定性。因此，高強錨桿索桁架系統(tǒng)共同組成的預應力“索-拱”結構在高應力大斷面巷道支護過程中使頂板圍巖一直保持良好受壓狀態(tài)，有效控制復合頂板離層及整體變形；t1 t2段，巷道頂板承受動壓或其他工程擾動時，破壞了頂板支護結構暫時平衡，頂板出現(xiàn)一定下沉，但由于高

33、強錨索桁架中聯(lián)接器與傾斜錨索的楔形效應，頂板下沉量較小，隨支護時間重新形成新的支護平衡結構，使支護期間頂板保持穩(wěn)定。圖 4.8 不同支護方式頂板變形與支護時間關系比較4.2.4 結論（1）高應力大斷面復合頂板煤巷支護過程中受剪切應力作用明顯，頂板淺部巖層受拉應力較大，并隨斷面增加，拉應力破壞范圍不斷擴展，巷道圍巖變形量增長幅度頂板最顯著，兩幫其次，底板最弱。（2）研究了“索-拱”支護結構為核心的錨桿索桁架系統(tǒng)，從理論上證實了新型支護系統(tǒng)結構的可靠性及控制高應力大斷面復合頂板煤巷離層和圍巖大變形優(yōu)越性。（3）錨桿索桁架系統(tǒng)對高應力大斷面復合頂板煤巷支護效果明顯，支護試驗后巷道頂板變形量僅為原支護

34、時巷道變形的 13.8%，頂板內、外離層量小，保障了置換煤巷圍巖的安全、穩(wěn)定。4.3 桁架錨桿在 “三軟”全煤巷中的支護64.3.1 作用機理在桁架傾斜錨桿和施加高安裝應力水平鋼絞線的作用下,桁架系統(tǒng)對頂板巖層產(chǎn)生壓縮和托頂作用,改善了頂板巖層的受力狀態(tài),增大了頂板裂隙體中的壓應力和摩擦力,將頂板的變形延伸到巷道兩側(幫),減小甚至抵消了頂板中部可能產(chǎn)生的拉應力。兩根傾斜錨桿通過水平鋼絞線協(xié)調受力,具有一定的柔性,允許頂板適量下沉,在下沉過程中頂板裂隙體摩擦力增大,產(chǎn)生自鎖作用,從而能夠有效地維護高應力區(qū)的破碎頂板。在頂板施加垂直錨桿(索)后,桁架系統(tǒng)和垂直錨桿(索)共同作用,可有效地提高圍巖

35、的殘余強度,充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力,形成頂板加固圈或組合梁。在鋪設桁架后,使所有的錨桿聯(lián)合在一起,一旦其中有一根錨桿失效,其它錨桿和桁架可分擔失效錨桿的作用。通過錨桿、桁架的作用,使頂板形成一個“加固的組合梁”或“加厚的承載帶”。通過對巷幫采用錨桿支護使煤幫形成一個煤砌體墻,從而實現(xiàn)了頂幫的完整性,加強了煤幫對頂板的有效支撐。4.3.2 工程實例龍口礦業(yè)集團煤業(yè)公司某煤位于我國著名的軟巖巷道支護礦區(qū),特點是巷道頂板、底板和煤層均為軟巖(其巖性見表4.1),頂?shù)装迥囗搸r具有遇水膨脹的特點,而且頂?shù)装迥囗搸r硬度大部分小于煤體強度,為巷道支護帶來了很大困難。4108上順沿煤46底板以上500 m

36、m施工,頂煤厚度410 412 m。煤4直接頂板為碳質泥巖及泥巖與砂巖互層,泥巖吸水膨脹,砂巖疏松、含水,屬易冒落頂板。采用綜放開采技術,回采巷道為全煤巷道且受采動影響嚴重,對軟巖頂板的控制很困難,對支護和維護極為不利,會嚴重影響綜放開采技術安全、高產(chǎn)、高效的實現(xiàn)。表4.1 頂?shù)装鍘r性頂?shù)装迕Q巖石名稱厚度/m巖性特征直接頂泥巖、砂巖62.5泥巖灰白色，含粉砂質，粗砂巖以石英、長石為主煤46含多層夾矸6.82煤層傾角9直接底油2.82棕褐色，重度較小，韌性大根據(jù)該礦4108上順槽的地質和采礦條件特點:(1)煤體硬度小,煤4含有多層遇水軟化的不穩(wěn)定性夾層,造成沿煤層掘進的巷道兩幫支護困難；(2)

37、巷道沿底掘進,頂煤厚410 412 m,頂煤以上是碳質泥巖、泥巖及砂巖互層的復合頂板,且泥巖遇水膨脹,砂巖疏松含水,屬于最不穩(wěn)定的頂板。因此4108順槽的支護方案為錨桿+桁架+焊接金屬網(wǎng)+W鋼帶。為了研究頂板下沉量隨桁架錨桿傾角及水平鋼絞線預緊力的變化,用有限元模擬了桁架錨桿傾角及水平鋼絞線預緊力的多種情況。模擬結果表明:合理的桁架錨桿傾角在15 60之間,以45為宜；適宜的水平鋼絞線的預緊力在90 100 kN,鋼絞線采用SKL15 -1 /1860型,直徑為15024 mm。同時,還模擬了綜放回采巷道頂?shù)滓平考皟蓭鸵平侩S錨桿預應力F的關系,如圖4.9所示。結果表明,錨桿預緊力為6070

38、 kN時,對圍巖控制的效果最為明顯。因此,確定桁架傾斜錨桿的角度為與水平呈45,其預緊力為60 kN,水平鋼絞線的預緊力為90 kN。4.3.3 礦壓觀測及支護效果分析巷道掘進階段,對巷道進行了巷道表面、頂板觀測,測站布置緊貼掘進頭安設,經(jīng)過近1個月的觀測,基本掌握了錨桿支護巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,經(jīng)過整理,觀測數(shù)據(jù)見表4.2。圖4.9 圍巖收斂變形量隨錨桿預應力的變化曲線表4.2 錨桿支護成巷期間的礦壓顯測數(shù)據(jù)測站移近量/mm最大移近速度/（mm/d）兩幫頂沉兩幫頂沉1112681862147401079310179401241557168859646491361374337678557307通

39、過現(xiàn)場觀測和表4.2數(shù)據(jù)可以看出:(1)桁架錨桿支護系統(tǒng)有效地控制了圍巖的變形,頂、幫桁架錨桿支護效果顯著,頂、幫煤體的整體性和穩(wěn)定性較好,兩幫的最大移近量為155 mm,最小為85 mm,頂板的最大下沉量為79 mm,最小為43 mm;(2)桁架錨桿支護系統(tǒng)的每一組成部分均有效地發(fā)揮了各自的性能,取得了很好的綜合支護效果;(3)設計所選用的桁架錨桿支護系統(tǒng)可有效控制巷道圍巖變形,達到了預期的支護效果。4.3.4 結語(1)4108上順槽試驗的成功,說明了該條件下桁架錨桿支護系統(tǒng)技術上可行,安全性好,經(jīng)濟上合理,并初步確定了其支護參數(shù),為該礦類似條件下推廣應用錨桿桁架支護技術提供了借鑒和依據(jù)。

40、(2)該巷道錨桿桁架支護技術對于頂、幫煤支護效果都很好,形成了錨固平衡拱,對于回采巷道快速安全掘進,降低巷道支護和維護成本,提高礦井經(jīng)濟效益,充分發(fā)揮綜放開采技術的經(jīng)濟優(yōu)勢,實現(xiàn)安全、高產(chǎn)、高效開采具有重要意義。5 桁架錨桿支護參數(shù)的探討桁架錨桿支護效果除了與工程地質條件有關之外,還與其形式與布置參數(shù)密切相關,其中主要布置參數(shù)包括錨桿長度、角度、孔幫距(孔口至巷幫的距離)等,本實驗采用數(shù)值模擬研究方法,對不同布置參數(shù)的支護效果進行模擬計算,從而優(yōu)化合理布置參數(shù)。數(shù)值模擬采用日本軟腦公司開發(fā)的2D-R有限元軟件,該軟件不僅具有很強的前后處理功能,而且計算速度高,可模擬施工順序及彈性、非線、彈塑性

41、等多種模型,可以解決地應力、接觸面、錨桿、梁等一系列巖土工程中的常見問題7。計算模型為平面應變彈塑性模型,選用Mohr -Coulomb準則,采用階段分析法模擬原巖應力狀態(tài)、開挖、支護三階段。模型柱狀以邢臺東龐煤礦2108綜放回采巷道工程地質條件為基礎,采深430 m,近水平賦存,煤厚8.0 m,f=1.5,煤層頂?shù)装鍘r性如圖5.1所示。模型高度與寬度均為65 m,單元2200個,節(jié)點6800個,綜放回采巷道沿煤層底板布置,矩形斷面,寬4.0 m,高3.0 m。模型等效巖體力學參數(shù)采用正算位移反分析方法求得,見表5.1。表5.1 模型巖體等效參數(shù)名稱彈性模量E/MPa泊松比/C/MPa./()

42、密度中粒粗砂巖38000.24302.54粉砂巖16000.271.7272.5煤4000.350.4201.56泥頁巖5600.321.3252.1細砂巖30000.233.2292.535.1 桁架錨桿合理角度模擬支護參數(shù)為:頂板桁架錨桿長2.2 m,孔幫距0.2 m,中部有一根垂直錨桿,錨桿角度為40、50、60、70、80五種,幫錨桿長1.9 m,排距0.8 m。桁架錨桿不同角度時巷道圍巖變形形態(tài)基本相同,但頂、幫結構部位的變形量與角度有著密切關系,當角度為40、50、60、70、80時,頂沉量分別為:108、95、65、82、118 mm,兩幫移近量分別為49、50、53、64、98

43、 mm,底鼓量基本一致?？梢?桁架錨桿角度變化對頂板變形影響較大,對兩幫也有一定影響,對底鼓基本無影響;錨桿角度為60時支護效果最好,說明桁架錨桿角度存在最優(yōu)值,過大或過小都不利于發(fā)揮其控制圍巖變形的能力。桁架錨桿角度對圍巖塑性區(qū)范圍的影響與上述規(guī)律相同,其中頂板塑性區(qū)范圍分別為1.32、1.03、0.73、1.34、1.34 m,兩幫分別為1.45、1.44、1.32、1.34、1.46 m?？梢?桁架錨桿角度為60時對圍巖塑性區(qū)的控制效果也是最好的。5.2 桁架錨桿合理長度模擬桁架錨桿長分別為1.8、2.0、2.2、2.4 m四種,角度60,其它參數(shù)同前。錨桿長對巷道圍巖變形有明顯影響,四

44、種長度條件下頂沉量分別為82、63、61、75 mm,兩幫移近量分別為85、54、54、72 mm。可見,錨桿長為2.0 2.2 m,時能較好控制圍巖變形,錨桿長度過小或過大都起不到應有的支護效果。錨桿長度過小,則錨桿在兩幫的水平投影長度較小,兩幫淺部的煤體受力增大,從而造成兩幫和頂板變形增大；錨桿長度過大,則由于頂板中兩錨桿包圍的面積較大,頂板荷載轉移到兩幫的也較大,造成兩幫煤體受力增大,也不利于兩幫及頂板的維護。5.3 桁架錨桿合理孔幫距模擬桁架錨桿孔幫距分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m六種,其他支護參數(shù)同5.1所述。錨桿孔幫距對巷道圍巖變形及圍巖塑性區(qū)范圍均有明顯影響

45、,六種參數(shù)條件下的頂沉量分別為119、89、65、98、100、111 m,兩幫移近量分別為99、87、53、70、100、101 mm,塑性區(qū)寬度頂板分別為1.35、1.01、0.74、1、24、1、36、1.41 m,兩幫分別為1.67、1.42、1.30、1.55、1.82、1.84 m。桁架錨桿除了對頂板巖層起到兜吊作用,還對頂板巖層產(chǎn)生橫向抗力,減少頂板下部巖層的拉應力,從而有效地控制頂板縱向裂隙的發(fā)育,并通過兩側錨桿將頂板荷載轉移到兩幫上,因此桁架錨桿孔幫距存在最優(yōu)值,并非孔幫距越小越好,過大或過小都不能使桁架錨桿發(fā)揮橫向抗力的作用,通過模擬計算認為,孔幫距的合理值為0.2 m。5

46、.4 桁架錨桿支護效果與垂直錨桿的關系模擬巷道桁架錨桿支護結構中垂直錨桿對支護效果的影響,分別按無垂直錨桿、頂板中部1根垂直錨桿、桁架寬度內均勻布置2根垂直錨桿等三種支護形式。頂板中無垂直錨桿與1根垂直錨桿相比,頂板和兩幫變形量分別增大了47.26%、42.27%,頂板和兩幫塑性區(qū)分別增大了70.27%、33.08%。布置1根或2根垂直錨桿時,巷道圍巖變形與塑性區(qū)基本沒有變化。可見,桁架錨桿支護結構中有無垂直錨桿對巷道支護效果有著很大的影響,無垂直錨桿對巷道的維護有著明顯不利的影響,在桁架寬度的中部增加1根垂直錨桿可顯著地提高桁架錨桿的支護效果,均布2根垂直錨桿與中部布置1根垂直錨桿的支護作用

47、相近,以中部增加1根垂直錨桿最為合理。6新型桁架錨桿支護技術煤巷預應力桁架錨桿支護技術8 6.1預應力桁架的概念預應力桁架是將巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點,專用張拉機具通過桁架連接器將高強度的預應力鋼絞線鎖緊,并傳遞張拉力,實現(xiàn)對頂板淺部圍巖的兜護和對頂板結構的加固,控制頂板的離層、防止頂板加固區(qū)整體垮冒.它由預應力高強度鋼絞線、桁架連接器、錨具組成，如圖6.1所示。圖6.1 預應力桁架結構（部分鋼絞線）6.2 預應力桁架的作用機理預應力桁架最初應用在頂板,當支護的預應力達到一定程度時,能形成預應力承載結構，如圖6.2所示,該結構不僅能通過大變形實現(xiàn)對外層結構的適應性,同時還能在大變形中保持整

48、體穩(wěn)定性。具有這種變形讓壓和整體穩(wěn)定性特征的層狀頂板結構叫預應力承載梁,它具有連續(xù)傳遞應力的效應,從而使垂向應力集中程度減緩,兩幫煤體破壞減弱,消除或大大減緩頂板離層,并從根本上控制巷道圍巖的最終變形量,以達到最佳支護效果.這種支護方式充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢,剛柔相濟、內外并舉、標本兼治,即控制變形又保證安全,達到了良好的安全和經(jīng)濟效果.圖6.2 預應力桁架的承載結構與作用機理6.3 預應力桁架與錨索對比的優(yōu)點預應力桁架與錨索相比有許多優(yōu)點:1)桁架內錨固點為巷道兩肩窩深部巖體,十分可靠,而錨索內錨固點在巷道正上方,可能隨頂板垮落而失效；2)桁架中拉緊的鋼絞線與頂板形成線或面接觸,作用范圍大,松散破碎頂板受力狀態(tài)好；而錨索與頂板圍巖是點接觸,外端頂煤易破碎,并導致錨索松動；3)鋼絞線抗剪性能強,能緩解水平應力導致的