复合顶板巷道预应力锚杆锚索桁架支护技术

　第37卷第11期煤炭科学技术Vol137　No111 2009年11月Coal Science and Technol ogy Nov.　2009　复合顶板巷道预应力锚杆锚索桁架支护技术

张良海,原明星

(大同煤矿集团有限责任公司同家梁煤矿,山西大同　037025)

摘　要:在分析预应力锚索桁架支护结构与原理的基础上,结合同家梁煤矿复合顶板、近距离煤层巷道的具体条件,应用F LAC3D有限差分程序模拟分析了不同支护方式的预应力锚杆锚索桁架在巷道围岩中产生的应力场分布特征与规律。确定出预应力锚索桁架和钢带锚杆支护的形式与参数。在井下的试验表明:预应力锚杆锚索桁架支护能够有效控制复杂巷道围岩变形,保证巷道安全,并具有显著的经济效益。

关键词:预应力;锚索桁架;数值模拟;井下试验

中图分类号:T D3 文献标志码:A 文章编号:0253-2336(2009)11-0018-03

Pre2stressed Bolt Anchor2truss Support

Technology i n Co m posite Roof Roadway

ZHANG L iang2hai,Y UAN M ing2xing

(Tongjialiang Coal M ine,D atong Coal M ine Group Corporation L td.,D atong　037025,China)

Abstract:Based on analysis on the support structure and p rinci p le of the p re2stressed anchor2truss,in combined with the comp lex r oof of Tongjialiang CoalM ine and the certain conditi ons of m ine r oad way cl osed t o sea m,the F LAC3D finite difference p r ogra m was app lied t o analyze the stress field distributi on and la w occurred in the m ine r oad way surr ounding r ocks with different support mode p re2stressed bolt, anchor2truss me mber.The mode and para meters were set up f or the p re2stressed anchor2truss and steel stri p2bolt support.The undergr ound m ine test showed that the p re2stressed bolt2anchor truss support could be effectively t o contr ol the surr ounding r ock def or mati on of the com2 p licated m ine r oad way and ensure the m ine r oad way safety with the obvi ous econom ic benefits.

Key words:p re2stress;anchor2truss me mber;nu merical si m ulati on;undergr ound m ine test

大同同家梁煤矿的生产盘区已进入14号层311盘区、410盘区,大部分巷道处于14-2号与14-3号主采煤层分岔合并区,属典型的复合层顶板与12号层的层间距为7～13m,又属近距离煤层,地质条件复杂。为此,研究和采用了钢带锚杆锚索桁架联合支护巷道围岩,充分发挥顶板的自承能力,取得良好的支护效果。这种支护方式已取代了大量的架棚支护,其施工工艺简单,便于掘进机机械化施工,支护成本低,巷道断面利用率高,已在同家梁煤矿14号311盘区、410盘区复杂地质条件下得到广泛应用。

1　锚杆锚索桁架支护原理与形式

锚杆锚索桁架支护由倾斜锚杆或锚索与拉杆组成。其基本结构是:靠近顶板两帮倾斜布置2根锚杆或锚索,锚杆或锚索锚固到两帮有效支撑的稳定顶板岩层中,下端通过连接件用拉杆连接起来,并施加一定的预应力,使锚杆或锚索与拉杆形成一个支护整体。这种结构的最大特点是通过拉杆可施加较大的预应力,改善顶板应力状态。

锚杆锚索桁架在我国的应用始于20世纪90年代初,现已在一些矿区广泛应用[1-2]。锚杆锚索桁架结构简单、安装方便、节约钢材、降低成本,适用于顶板较破碎的大断面巷道和悬顶面积大的交叉点,具有良好的应用价值。

111　支护原理

如图1所示,锚杆桁架会在巷道顶板岩层内形成水平和垂直方向的挤压应力区。已有的研究成果表明:桁架水平拉杆的预应力可改善顶板应力状态,水平拉杆拉力作用在顶板内产生1对对称弯矩,消除顶板弯曲引起的拉应力区,变为压应力状态。同时,桁架拉杆预应力引起的主动力使顶板产

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张良海等:复合顶板巷道预应力锚杆锚索桁架支护技术2009年第11期

生向上的垂直位移,使顶板的下沉量被抵消,对改善顶板的稳定性有重要作用

。

图1　锚杆桁架支护原理

试验研究与井下实践表明,锚杆锚索桁架的支

护机理与桁架间距密切相关。当桁架间距较小时,随着顶板变形挤压应力增加幅度较大,锚杆锚索桁架对顶板的支护作用以挤压加固为主,而且主要取决于拉杆预应力的大小。当桁架间距较大时,随顶板变形增加的挤压应力较小,锚杆锚索的悬吊作用更突出,可阻止顶板继续下沉,防止冒顶发生。112　支护形式 国内外开发研制的锚杆锚索桁架有多种形式,适用于不同的围岩条件。锚杆桁架的倾斜锚固结构可采用锚杆,也可使用锚索;桁架拉紧结构,可采用各种类型的拉杆,用螺纹方式提供预应力,也可采用钢绞线,用类似锚索的方式提供预应力。锚杆与拉杆的不同组合形成了锚杆桁架、全锚索桁架、锚杆锚索桁架等形式。按照锚杆桁架布置方式的不同,主要可分为单式锚杆桁架、复式锚杆桁架、交叉锚杆桁架及连续锚杆桁架等,以适应不同条件。

2　锚杆锚索桁架支护的数值模拟分析

211　模拟巷道地质与生产条件

以14号层311盘区81124工作面21124巷为例进行模拟分析。该巷道平均埋深为340m 。工作面外部和里部为14-2号与14-3号分岔区,中部为合并区。根据巷道围岩分类方案定为Ⅱ类顶板。工作面煤厚在1185～2145m ,直接顶为灰色粉细砂岩互层,层理、节理发育。

巷道断面为矩形,宽度410m ,高度217m 。采用锚杆锚索桁架支护。锚杆长度116m ,直径16mm ,排距为1m ,间距1m 。采用W 型钢带护顶,规格为3700mm ×150mm ×5mm 。锚索直径15124mm ,长度417m 。锚杆锚索桁架交替布置,锚索桁架排距为3m 。典型的巷道支护布置如图2所示

。

图2　巷道锚杆与锚索支护布置

212　数值模拟方法与结果分析

在预应力锚杆锚索桁架数值模拟中,传统的方法都是在原岩应力状态下开挖巷道,然后安装预应力锚杆,巷道周围应力状态重新分布,围岩发生变形和破坏。但由于围岩应力比锚杆、锚索提供的应力大得多,因此,锚杆锚索形成的支护应力场被完全覆盖,无法进行分析。为此,在本文数值模拟中没有考虑原岩应力,即在零原岩应力场条件下[3-5],分析锚杆锚索桁架引起的支护应力场分布特征。

采用有限差分数值计算软件F LAC 3D

进行模拟计算下述2个方案:①锚杆锚索桁架支护;②锚杆锚索桁架支护加中部锚索。 图3是巷道锚索支护断面支护应力场分布,图4是巷道锚杆支护断面支护应力场分布

。

从图3和图4中可以发现以下2点。

1)在巷道锚索桁架支护断面上,锚索预紧力

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