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.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 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 5.5m3.5m， 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 800mm800mm， 锚杆预紧力大 于 70kN， 顶板锚索间排距为 1600mm800mm， 顶板 钢筋梯子梁规格为 5000mm80mm， 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 800800mm， 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 128206 工作面开切眼支护形式断面图 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 ） 摘要 为解决 28206 工作面开切眼在原有支护方式下围岩变形量大的问题，通过分析围复合桁架 锚索控制技术的原理及特征，采用数值模拟的方式确定了桁架锚索的合理长度和不同排之间的搭接 长度， 结合开切眼的具体条件对复合桁架锚索支护技术的各项参数进行具体设计， 并通过矿压监测的 形式验证复合桁架锚索支护技术的效果。结果表明 支护方案实施后， 开切眼顶底板及两帮最大移近 量分别为 88mm和 47mm， 有效的解决了 28206 工作面开切眼围岩变形量大的问题， 保障了围岩的稳 定。 关键词 开切眼 ； 桁架锚索 ； 矿压监测 中图分类号 TD353文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0014- 04 Research and Application of Open-cut Eye Truss Anchor Cable Support Technology in 28206 Working Face of Dongqu Mine MA Jianhong （Dongqu Mine, Xishan coal electricitygroup , Shanxi Gujiao 030200 ） Abstract In order tosolve the problemthat the deation ofthe surroundingrock ofthe 28206 workingface is large under the original sup- portingmode, byanalyzingthe principle and characteristics ofthe surroundingcomposite truss anchor cable control technology, the reasonable length of the truss anchor cable is determined by numerical simulation. The lap length between different rows is combined with the specific conditions of open- cutting to design the parameters of the composite truss anchor cable support technology, and the effect of composite truss anchor support technology is verified by the of mine pressure monitoring. The results show that after the implementation of the support scheme, the maximum amount of the top and bottom plates of the open- cut eye is 88mm and 47mm respectively, which effectively solves the problemoflarge deation ofthe surroundingrock ofthe 28206 workingface and guarantees the surroundingrock. stable. Key words Open cut ; truss anchor ; mine pressure monitoring 14 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 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。 （a） 剖面图（b） 平面图 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 80m50m40m， 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 15 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 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 Φ20mm2400mm， 采用端 头锚固， 锚杆预紧力大于 200Nm， 锚杆的间排距为 800mm800mm，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 Φ17.8mm10.3m， 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 Φ20mm2400mm，间排距为 850mm 850mm，扩帮侧锚杆采用玻璃钢锚杆，参数为 Φ20mm2000mm， 间排距为 850mm850mm， 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 700mm800mm，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。 （a ）支护断面图 （b） 俯视图 图 628206 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 16 ChaoXing （上接第 13 页 ） 两帮最大片帮深度为 3.36m，顶板最大冒落高度为 5.01m。 3 ） 提出了“顶板锚杆 顶板锚索 两帮锚杆 两帮锚索” 的全断面强化支护形式， 设计了巷道支护 参数， 现场实测表明， 巷道表面 0～2m 围岩稳定， 西回 风大巷表面位移在掘进完成后的 22 天达到最大值， 顶底板最大移近量为 35.7mm；两帮移近量最大为 79.2mm。可见该支护形式保证了西回风大巷围岩的 稳定性。 参考文献 [1] 康红普,王金华,林健.煤矿巷道支护技术的研究与应用[J]. 煤炭学报,2010,35 （11） 1809- 1814. 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