煤巷锚杆支护技术新突破--一种预应力桁架支护技术

煤巷锚杆支护技术新突破 ——一种预应力桁架支护技术

李桂臣，张农，阚甲广，魏学松，杨百顺，安智海

中国矿业大学能源与安全工程学院，徐州（221008）

E-mail：liguichen@126.com

摘 要：锚杆支护已成为当前煤巷的主要支护形式，但由于复杂条件下仍存在一些安全和技术问题，必须推陈出新。本文详细阐述了一种新型预应力桁架支护形式，包括预应力桁架的概念、作用机理、与锚索对比的优点、具体形式以及施工工艺。最后给出了淮北许疃矿的成功应用实例，表明了该支护技术在理念和手段上是煤巷锚杆支护的一个突破和创新，有着很大的推广价值和广阔的应用前景。

关键词：煤巷，锚杆支护，预应力桁架，支护技术，创新 中图分类号：TD353+.6

1 引言

随着煤矿生产力的不断发展和锚杆支护理论的完善和成熟，以及“十五”期间的科技攻关，锚杆支护在煤巷掘进支护中的比重越来越大，目前全国主要矿区煤巷锚杆支护的比重超过了70%，一些现代化大型矿井的比重超过了90%，其主要原因在于煤巷锚杆支护有以下诸多优点[1]：

(1)在支护原理上符合现代岩石力学和围岩控制理论，锚杆与被锚固围岩共同承载，属主动支护，能够调动和利用围岩自身的稳定性，充分发挥围岩的自身承载能力，有效地控制巷道围岩变形。

(2)适应性强，支护成本随采深增加、条件恶化的升幅，不像棚式支护大幅度上升，相反降低的更多，支护效果更显著。

(3)在相同地质条件下，参数合理的锚杆支护，围岩变形量通常比棚式支护减少一半以上，一般条件下不需要维护，困难条件下，仅需简单、快捷的维护。

(4)所需材料体积小、重量轻，辅助运量大大降低，既减轻了工人的劳动强度，又改善了作业环境。工作面端头不需要撤棚，节省了回棚工序，简化了端头管理。

(5)巷道断面形状多为矩形，支护设计时可以相应减小断面，增加巷道或开切眼的有效空间，断面的有效利用率大大提高，消除局部瓦斯积聚。极大地简化了开切眼中支架安装工序，有效地提高设备安装进度和缩短工期。

(6)服务年限较长的巷道，可减少大量材料占用造成的资金积压，加快资金周转，降低生产成本；单进速度、生产能力、技术效益、安全效益都大幅提高。

2 煤巷锚杆支护存在一些问题

虽然煤巷锚杆支护有许多优点，但由于其是隐蔽性较强的支护形式，参数确定以后，怎样确保工程质量和施工安全比较困难，条件恶化或变化时不及时采取针对性的措施常常导致冒顶事故的发生。

目前一些特殊地质条件如松软煤层的高帮，大倾角巷道高帮，沿空巷道，高应力巷道的锚杆支护使用程度还很有限。这类巷道在高应力作用下，帮部变形很大，常常造成巷道收缩变形致使巷道无法使用，特别是对于沿空掘巷，目前的高性能锚杆组合支护技术也显得无能为力，巷帮的变形量尤其是煤柱帮，在掘巷之初就有明显的变形，到回采阶段，变形量通常

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达到总变形量的70%以上，断面收缩近2/3，巷道无法使用，甚至造成安全事故，许多工作面不得不停产翻修巷道或另开掘巷道，给矿井的安全和生产带来极大的危害，如何真正有效地解决这些复杂条件下的煤巷锚杆支护问题变得越来越急迫。

因此，我们创新性地提出在煤帮使用预应力桁架进行支护，可以有效抵抗巷帮与顶板之间的相对错动剪切力，有效控制帮部向巷内位移，从而减少巷帮变形，使巷道满足生产需要。

3 现有常用桁架的种类与特征

3.1 建筑类桁架概念和特征

目前建筑行业使用的是建筑类桁架，是指工程中由杆件通过焊接、铆接或螺栓连接而成的结构，称为“桁架”[2]，通常是钢桁架，主要是一种空间体系的架式结构，其特征和用途与矿用桁架完全不同。

建筑桁架的工程要求：足够的强度——不发生断裂或塑性变形； 足够的刚度——不发生过大的弹性变形；足够的稳定性——不发生因平衡形式的突然转变而导致的坍塌；良好的动力学特性——抗震性[2]。

3.2 简易锚杆桁架结构和特征

目前煤矿常用的桁架是简易锚杆桁架结构，其主要由两个托板、两根倾斜锚杆和两根拉杆组成，总体结构如图1所示[3]。托板的材料为铸钢，托板上设计有1个倾斜锚杆孔和两个拉杆孔。拉杆为相同的两根螺纹钢或Q235钢筋，两根钢筋的两端均制有螺纹，通过螺母与托板联结在一起，具体结构如图2所示[3]。

1--锚杆；2--托板；3--拉杆

图1 锚杆桁架总体结构 图2 托板结构示意图

简易锚杆桁架是一种能在巷道顶板的水平及垂直方向同时提供挤压应力的主动支护结构。在拉杆和两倾斜锚杆的协调作用下，随着巷道顶板的弯曲变形, 在巷道顶板内部产生更大的水平挤压应力，巷道顶板与桁架锚杆之间存在作用与反作用及相互制约的关系[4]。

4新型预应力桁架支护技术

4.1预应力桁架的概念

预应力桁架是将巷道两肩窝深部岩体作为锚固点，专用张拉机具通过桁架连接器将高强度的预应力钢绞线锁紧，并传递张拉力，实现对顶板浅部围岩的兜护和对顶板结构的加固，控制顶板的离层、防止顶板加固区整体垮冒。它由预应力高强度钢绞线、桁架连接器、锁具和锚固剂组成[5]。

4.2预应力桁架的作用机理

预应力桁架最初应用在顶板，当支护的预应力达到一定程度时，能形成预应力承载结构，

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该结构不仅能够通过大变形实现对外层结构的适应性让压，同时能够在大变形中保持整体稳定性。具有这种变形让压和整体稳定性特征的层状顶板结构叫预应力承载梁，它具有连续传递应力的效应，从而使垂向应力集中程度减缓，两帮煤体破坏减弱，消除或大大减缓顶板离层，并从根本上控制巷道围岩的最终变形量，以达到最佳支护效果。这种支护方式的充分发挥了各自的优势，刚柔相济、内外并举、标本兼治，即控制变形又保证安全，达到了良好的安全和经济效果。

4.3 预应力桁架与锚索对比的优点

预应力桁架与锚索相比有许多优点：(1)桁架内锚固点为巷道两肩窝深部岩体，十分可靠，而锚索内锚固点在巷道正上方，可能随顶板垮落而失效；(2)桁架中拉紧的钢绞线与顶板形成线或面接触，作用范围大，松散破碎顶板受力状态好；而锚索与顶板围岩是点接触，外端煤体易破碎，并导致锚索松动；(3)钢绞线抗剪性强，能够缓解水平应力导致的顶板支护结构的剪切破坏；(4)随围岩变形易形成闭锁结构，支护结构不易失效；而锚索随顶板变形，载荷直线上升，易拉断失效；(5)桁架施加的水平预拉力在巷道顶板内产生一对对称弯矩，平衡顶板弯曲而产生的拉应力区，减少顶板破坏，大大改善了顶板的稳定性[6]。

4.4 预应力桁架的具体形式

4.4.1顶板桁架

预应力桁架在煤巷顶板已得到了广泛的使用，施工工艺和技术日趋成熟，特别是跨度较大的巷道，应用桁架支护能够有效控制顶板变形，满足矿井生产和安全需要。当巷道跨度大于4.0m，直接顶为复合顶板时，单纯施工锚索无法实现锚索的补强支护作用时，为加强对顶板岩层的控制，可垂直巷道走向施工顶板桁架，如图3所示，桁架锚索以巷道两帮顶部较为稳定的岩层为锚固点，而后两根锚索中间用桁架连接器（见图4）联结并强力张拉，产生的均布的水平方向载荷，支撑顶板，增大了护顶面积和强度，达到护顶的目的。

高垂直应力

肩角稳定区肩角稳定区高水平应力 水平剪切力 水平剪切力 高水平应力

图3 顶板桁架的具体支护形式

图4 桁架的连接器实照图

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4.4.2 帮部桁架

顶板桁架解决了大断面巷道顶板稳定与安全性问题，但复杂条件下煤巷帮部稳定性问题给我们提出了更大挑战，通过现场试验，我们成功将顶板桁架应用于帮部，支护时以顶底角为锚固点，桁架产生的均布竖直方向的载荷，形成“梁”结构，以煤帮深部稳定围岩的小变形控制巷道外部的大变形，解决煤巷帮部变形大的技术难题。帮部桁架又有两种方式：一是帮部竖向桁架，用于实体和沿空，见图5所示，这已在许多矿区推广应用，效果良好；一是帮部横向桁架，见图6应用实照图，这些均是桁架支护在理念和手段的创新。

高垂直应力

块体 A块体 B肩角稳定区块体 C高水平应力或大倾角煤巷底角稳定区

a．帮部竖向桁架（实体煤巷） b．帮部竖向桁架（沿空煤巷）

图5 帮部竖向桁架应用示意图

图6 帮部横向桁架应用实照图（淮北许疃矿）

4.5 预应力桁架的施工方式

顶板桁架的施工与锚索相比有些区别，这儿主要对帮部桁架的施工方式给予说明。 4.5.1帮部竖向桁架的施工方式

分别在巷帮靠顶底板位置施工钻眼，锚杆桁架施工在60o时效果最好[7]，而我们通过现场试验，钻眼角度与水平夹角40°~50o左右时效果良好；然后用扫孔器将眼内煤岩粉吹扫干净；在孔内穿桁架钢绞线，钢绞线前端放树脂药卷锚固；用桁架专用联接器将两根钢绞线联接，安装配套索具并用张拉仪进行张拉紧固，张拉力不低于70kN。 4.5.2帮部横向桁架施工方式

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帮部竖向桁架在使用过程中出现了问题，底角锚索钻孔的施工难度大，锚固效果差，针对此现象，我们提出了横向桁架的支护形式，以许疃煤矿实际应用为例，分别在靠近帮部的下部和上部适当位置施工眼孔，垂直打入帮部，为方便施工，可适当向上10o左右，仍用桁架联结器连接锚索，张拉要求同竖向桁架，完成两个横向桁架跳过两排钢带后安装第二排两个横向桁架，如图7所示意。

16001600600帮部竖向桁架帮部横向桁架6001000 图7 帮部竖向桁架调整为横向桁架示意图

5 现场工程实例及效果分析

许疃煤矿7223工作面位于已回采的7123工作面正下方，煤体松软，顶板松软层厚度大，岩体破碎，顶板裂隙水发育，有长期淋水现象，属于典型的近距离采空区下松软煤层巷道，巷道围岩环境恶劣，开采环境复杂，顶板稳定性差，围岩应力高，支护极其困难，对安全生产的制约作用很大。在综合分析该工作面围岩应力特征的基础上，采取了如下的支护方案，基本支护方式为高性能预拉力锚带网，顶板关键部位采用锚索梁加强支护确保安全，煤帮关键部位采用上述的竖向、横向预应力桁架控制煤体变形，通过强化底角控制底鼓，同时底板作为释放压力的自由面。部分淋水较大地段在上述支护方式基础上采用棚式支护进行补强，具体参数如图8所示。

目前该工作面已安全回采完毕，巷道支护效果良好，见图6，试验取得了很大的成功，未发生一起安全事故，为矿区建设高产高效截至2006年4月份已成功推广应用5000余m，矿井提供了可靠的支护技术保障。

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15°6300200015°240090015°帮部横向桁架3000帮部竖向桁架2600220065024009002400400015°9009009009004000锚索梁4000帮部竖向桁架1600帮部横向桁架800 图8 许疃矿7223工作面煤巷锚杆（桁架）支护形式示意图

6 结束语

预应力桁架支护技术在控制顶板离层、大倾角高帮整体移动、小煤柱松散变形及深井高应力软岩巷道围岩关键部位加固等复杂条件下的应用具有很强的灵活性和针对性，在徐州、淮北、淮南、澄合等矿区成功应用，目前已获得专利受理。我国每年新掘煤巷10000km以上，其中20~30%是各类复杂条件下煤巷，成功应用预应力桁架支护技术，就为该类煤巷锚杆支护提供了安全和技术保障，同时给煤炭企业带来巨大的经济效益和社会效益，应用前景非常广阔。

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参考文献

[1] 何满潮，袁和生，靖洪文等著．中国煤矿锚杆支护理论与实践[M]．北京：科学出版社，2004年4月第1版．

[2] 中国展览器材城．桁架系列[OL]．http://www.zhongzhan.com.cn/HengJia.asp，[2006-09-03]．

[3] 付跃升．简易锚杆桁架在煤巷支护中的应用[J]．建井技术，1999年4月，第20卷第2期：23-25． [4] 张益东．桁架锚杆与普通锚杆对顶板的不同支护作用[J]．矿山压力与顶板管理，1999年，第3期4卷，159-161．

[5] 张农，高明仕，许兴亮．煤巷预拉力支护体系及其工程应用[J]．矿山压力与顶板管理，2002年，第4期：1-4，7．

[6] 张农，李学华，高明仕．迎采动工作面沿空掘巷预拉力支护及工程应用[J]．岩石力学与工程学报，2004年6月，第23卷第12期：2100-2105．

[7] 宁建国，蒋金泉，董建军等．回采巷道顶板桁架锚杆支护角度的优化研究[J]．矿山压力与顶板管理，2003年，第1期：20-21，24．

The new breach of the coal roadway bolt supporting

－support technology of pretension trusses

Li Guichen, Zhang Nong, Kan Jiaguang, Wei Xuesong, Yang Baishun, An ZHihai

School of Mining and Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou,

China (221008) Abstract

Bolt supporting has become the main support technology in the coal roadway currently, but we have to get rid of the stale and bring forth the fresh in complex conditions which still exists a lot of safety and technology issues. This paper detailed expound a new pattern support technology of pretension trusses, which contains its conception, function mechanism, the excellence to anchor cable, idiographic forms and construction technique. At last we give a successful instance in Huaibei Xutuan Coal Mine, which indicates the new support technology is a breach and innovation to the coal roadway bolt supporting and has the prodigious popularized value and great application foreground.

Keywords: coal roadway, bolt supporting, pretension trusses, support technology, innovation

作者简介：李桂臣(1980-)，男，河北衡水人，03年7月毕业于中国矿业大学能源与安全工程学院获学士学位，现为该院在读博士研究生，主要从事巷道围岩控制、深井、软岩支护等方面的学习与研究工作，发表论文多篇。

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