桁架锚杆的应用与发展

1、桁架锚杆支护技术的应用和发展摘要： 随着科技兴煤战略的不断实施，高产高效工作面的数量不断增多，相应的工作面产量也不断增加，受到运输和通风影响，回采巷道断面也必然增加，这对于巷道支护有了更高要求，桁架锚杆技术的应用在一定程度上解决了单体锚杆不能解决的巷道支护问题，桁架锚杆主要由两根安装于顶板两肩角具有一定倾角的倾斜锚杆和与两根倾斜锚杆锚尾有力学联系的拉杆组成，是一种能在巷道顶板的水平和垂直方向同时提供挤压应力的主动支护结构，桁架锚杆技术的发展，使之适应了多种不同条件下的巷道支护，使巷道支护的效果得到了很大改善。关键字：桁架锚杆 断面 支护结构1 桁架锚杆支护技术的发展和作用机理桁架锚杆支护技术是

2、我国80年代后期90年代初发展起来的一种新型支护方式，它是在锚杆支护的基础上发展起来的。该种支护不仅适用于巷道顶板稳定或较稳定的地质条件，而且适用于受采动影响的或巷道顶板岩石不稳定 (块状多层、破碎)的恶劣顶板条件，还能够应用在大断面、大跨度的平顶巷道中。1桁架锚杆是一种能够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，一般由顶板锚杆、拉杆和托架组成。顶板锚杆的数量由顶板的条件所决定，通常为位于井巷两角上的两根倾斜锚杆。当巷道跨度较大或顶板岩石不稳定时,可用多根。桁架锚杆的作用机理如图1.1所示，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,桁架锚杆会使巷道顶板的内部产生

3、更大的水平挤压应力,巷道顶板与桁架锚杆之间存在着作用与反作用及相互制约的关系。一方面依靠拉杆预加的拉紧力和倾斜锚杆锚固后的预紧力可在顶板围岩中形成一个挤压区,改变了围岩的受力状态，提高了顶板围岩的强度，使顶板的“中性轴”下移,减小了顶板内部和其表面的张应力,增加了顶板围岩的抗弯强度,因此提高了顶板承受上部岩层载荷的能力,并且保持了自身的稳定;另一方面,当顶板发生弯曲变形和下沉时,通过顶板表面对桁架拉杆产生的作用,使拉杆受到更大的张拉力,而此时拉杆与倾斜锚杆的共同作用使顶板内部及其裂隙体中产生较大的挤压应力和摩擦力,减小甚至抵消巷道顶板可能产生的拉应力,从而阻止顶板的进一步弯曲和下沉,使顶板趋于

4、稳定。21 顶板锚杆 2合力 3 拉紧力 4 托盘 5 拉杆 6 巷道壁图1.1 桁架锚杆支护原理2 煤巷组合桁架锚杆支护效果探讨32.1 模拟设计和实验2.1.1实验方案试验选择了三个模型，模型I是工字钢支护巷道，如图2.1所示；模型是锚梁网支护巷道，如图2.2所示；模型是组合桁架锚杆支护巷道，如图2.3所示，模型的巷道顶板锚杆6根,模型巷道顶板锚杆4根;模型和巷道两帮采用布置方式相同的模拟锚杆支护；图2.1 工字钢支架布置图图2.2 锚梁网支护布置图2.3 桁架锚杆布置2.1.2 参数选择1、模型比例本次试验采用卧式加载方式，不考虑容重相似。模型的几何尺寸: ，模拟巷道规格: ；几何相似比

5、: ；应力相似比: 。2、巷道围岩相似材料试验选用的模型相似材料是以水泥和石膏为胶结料,砂子作骨料按一定比例配制而成的,具体参数见表1。表2.1 模型材料配比和强度岩性相似材料抗压强度（MPa）配 比砂（%）水泥（%）石膏（%）煤0.892.82.94.3粉砂岩1.8988.97.73.4中、细砂岩3.0687.58.73.83、支架相似材料所要模拟的锚杆是直径为14mm的H型可拉伸锚杆,要同时满足锚杆的几何相似和力学相似是十分困难的,试验时材料的选择只考虑满足锚杆的力学相似和长度相似,选择的模拟锚杆力学特性见表2。表2.2 锚杆力学参数 力学参数锚杆类型屈服荷载最大拉断荷载延伸率（%）长度（

6、mm）H型锚杆44 kN69kN16.721.71750模拟锚杆3.4 N4.8N17.960所要模拟的工字钢是12#矿用工字钢,经过计算其承载能力为207 kN,实验时相似模拟材料选用铝条，铝条的规格：，承载能力为28.8 N。2.1.3 围岩破坏情况通过实验得知，模型的巷道已严重破坏，在巷道两角处产生了明显的剪切裂隙，顶板浅层部分产生了严重的离层现象，两帮破坏达7 cm深，支架全部折损，底板已剥落1 cm厚，2 cm深处产生大的离层，3 cm深处有明显的水平裂隙；模型的巷道顶板中间产生较大裂隙，并与上部6 cm深处的离层贯通，两帮围岩部分垮落，并且大多数锚杆被拉断，底板两角的剪切裂隙与水平

7、裂隙贯通，巷道的整体变形介于模型和模型的巷道变形之间；模型的巷道顶板基本完好，两帮裂隙始于底板呈抛物线状向顶板方向发育，裂隙发育5 cm深，底板两角剪切裂隙发育，较之前两种模型，巷道破坏程度最低。根据模型巷道的破坏情况，组合桁架锚杆支护效果最好，锚梁网支护效果次之，工字钢支护效果最差。2.1.4 位移观测结果模型巷道周边位移与荷载的关系如图2.42.7所示。曲线、分别代表工字钢、锚梁网和析架锚杆模型巷道的围岩变形。它们的变形特点综述如下:(l)无论荷载高低,工字钢支护的巷道变形量最大，组合析架锚杆和锚梁网支护的巷道围岩变形量均小于工字钢支护的巷道变形量。试验加载至5.28 MPa时,锚杆支护巷

8、道的顶板最大下沉量只有工字钢支护巷道的50%左右；底鼓量只有工字钢支护巷道的60%左右；两帮移近量为工字钢支护巷道的40%左右；锚杆支护的巷道变形量明显小于工字钢支护的巷道变形量。(2)桁架锚杆支护的巷道顶板下沉量小于锚梁网支护的巷道。但是当荷载小于3.3 MPa时,桁架锚杆支护的顶板下沉量大于锚梁网量；而当荷载大于3.3 MPa后,桁架锚杆支护的顶板下沉量逐渐小于锚梁网支护的顶板下沉量；差值最大时桁架锚杆支护的顶板下沉量仅有锚梁网支护的顶板下沉量的70%左右；在荷载大于4.2 MPa后，桁架锚杆支护的顶板顶沉速率有增大的趋势,加载至5.28 MPa时,桁架锚杆支护的的顶板下沉量增加至锚梁网支

9、护的顶板下沉量的78%左右。(3)加载结束时,桁架锚杆支护的巷道两帮移近量、底鼓量均大于锚梁网支护的巷道。但是在荷载小于4.2 MPa时,桁架锚杆支护的巷道顶底板相对移近量、底鼓量和两帮变形量分别只相当于锚梁网支护的75%、75%和53%左右；当荷载大于4.2 MPa后,桁架锚杆支护的巷道底板和两帮变形速度增大,到加载至5.28MPa时桁架锚杆模型巷道的顶底板移近量、底鼓量和两帮变形量增加为锚梁网支护的110%左右。图2.4 顶板下沉与载荷的关系图2.5 顶底相对移近量和载荷的关系图2.6 底鼓量和载荷的关系曲线图2.7 两帮相对移近量和载荷的关系2.2 试验结果分析2.2.1 支架支护机理分

10、析根据桁架锚杆支护机理,经力学分析,可概述为以下几方面:（1）若给拉杆施加一定的预紧力,它能给巷道顶板提供及时地拉力和水平挤压力,增加顶板的抗弯能力和顶板跨座处的抗剪切能力,对于有弱面的巷道顶板通过桁架锚杆支护还可以增大弱面的磨擦力。（2）随着巷道顶板变形量增大, 通过顶板对桁架拉杆产生的作用,使拉杆受到更大的张拉力,它对顶板产生的挤压力也增大。（3）能把巷道顶板中的部分荷载向巷道两帮深处转移,相应的减小了巷道两帮表层所承受的载荷。（4）桁架锚杆支护的重点是顶板浅部受张力和剪切力最大处，也就是顶板变形和破坏的最为严重的地方。（5）在桁架锚杆的挤压应力区打垂直锚杆,对顶板浅层有减小跨度和悬吊的作

11、用,同时还有挤压加固组合梁的作用。锚梁网的支护特性:除具有一般锚杆的支护特性,即悬吊作用、组合梁作用、楔固作用和挤压加固作用外,其独特之处是充分发挥了锚杆群的整体效应，增加了锚杆的整体性 ,不会因个别锚杆失效危及支护效果。工字钢支护是一种被动的支护形式，它需要等围岩产生变形后才能起支护作用；工字钢支护的可缩量小,不适应煤巷围岩变形量大的巷道。2.2.2 试验结果分析试验结果表明模型和模型的巷道周边位移明显小于模型的巷道周边位移，这说明锚杆支护有利于维护巷道稳定，刚性工字钢支架不适应煤巷的变形规律，该试验结果与它们的支护机理是一致的。试验加载结束时,桁架锚杆支护的巷道顶板下沉量小于锚梁网支护的巷

12、道顶板下沉量,这是它们各自支护机理的必然结果。但是在加载初期,桁架锚杆支护的巷道顶沉量大于锚梁网支护的巷道顶板下沉量,这是由于实验条件的限制没有对桁架锚杆施加预紧力,载荷加载初期桁架锚杆对巷道顶板的挤压加固作用较小,同时桁架锚杆中垂直锚杆数量少于锚梁网的,其悬吊作用也不如锚梁网,因此在加载的初始阶段,模型比模型的巷道顶板下沉量小。由桁架锚杆支护机理可知,随着顶板弯曲下沉量增大, 不仅垂直锚杆的悬吊作用增强，而且桁架锚杆对顶板的挤压力也增大,这样就有效地减缓了顶板的下沉速度,最终也减小的顶板下沉量。因此,到一定荷载后,模型的顶板下沉量大于模型的巷道顶板下沉量,所以加载结束时桁架锚杆支护的巷道顶板

13、下沉量小于锚梁网的巷道顶板下沉量。以上分析表明,桁架锚杆比锚梁网更能适应煤巷的围岩变形特点,如果能对其施加足够的预紧力,更有利于对巷道进行及时支护,充分发挥桁架锚杆的作用。试验结果显示,在荷载小于4.ZMPa时,模型n的巷道两帮和底板移近量大于模型111的,这是因为析架锚杆较大幅度地提高了巷道顶板的承载能力,同时把顶板的部分荷载向巷道两帮深处转移,相对减少了两帮浅层的荷载作用.但是随加载量的增大,析架锚杆传递给巷道两帮的附加荷载也逐渐增大,由此导致巷道两帮浅层承载量增大,变形速度随之增加,所以在加载大于4.2MPa后巷道两帮和底板移近量大于锚梁网的。巷道两帮和底板移近量增加必然导致顶板下沉速度

14、有增大,因此荷载大于4.ZMPa后巷道顶板变形速度有增大的趋势。这说明加强巷道两帮的支护能够提高彬架锚杆支护巷道的承载能力,使其在高荷载作用的巷道也能发挥优势。2.3 结论(l)组合桁架锚杆不仅具有锚梁网和桁架锚杆的双重作用,而且由于其中的垂直锚杆锚固在桁架锚杆的挤压应力区内,大大提高了它对巷道顶板的悬吊减跨作用。它对巷道具有良好的支护效果,是巷道锚杆支护发展的方向。(2)随着巷道顶板变形量增大, 组合桁架锚杆对顶板的支护强度也将随之增加,能够有效减缓巷道变形速度，减小巷道变形量。该类支架能很好地适应巷道围岩的变形规律。(3)在承受高荷载的巷道(或深井巷道)中,组合桁架锚杆将给巷道两帮产生较大

15、的附加应力,因此必须加强巷道两帮支护,才能在深部巷道中发挥更好的支护效果。(4)在巷道支护初期给组合桁架锚杆施加足够的预紧力,能够使它及时地支护巷道,有效地维护好巷道。3 桁架锚杆与普通锚杆对顶板的支护效果分析2 3.1 普通锚杆的作用机理普通锚杆支护作用机理主要是锚杆群的共同作用在巷道围岩内部形成支护结构,通过该种支护结构承受巷道外载,使巷道围岩保持稳定。巷道开掘后,原来处于平衡状态的围岩应力受到破坏而产生应力集中并重新分布，在这个过程中,巷道围岩应力由原来的三向应力状态变为两向或者单向应力状态,围岩出现破坏区和塑性区,此时巷道若没有得到及时有效的支护,则巷道的破坏区和塑性区会越来越大,巷道

16、围岩就不可能处于稳定状态。合理的普通锚杆(群)的及时支护,使巷道表面围岩由受开挖影响形成的双向或单向应力状态恢复为三向应力状态,而且锚杆群的共同作用使锚杆在其长度范围内的岩(煤)体内部形成具有一定承载能力的内部支护结构。随着巷道围岩的变形,锚杆群的工作阻力随之增大,在锚杆轴线方向的围压也随之进一步加大,从而增加了巷道围岩的内聚力,提高了锚固体的强度(莫尔应力圆右移)和内部支护结构的承载能力,阻止巷道围岩破坏区和塑性区的扩大,减小了巷道围岩的变形,使巷道处于稳定状态。3.2 支护效果分析由桁架锚杆和普通锚杆的支护作用机理分析可知,桁架锚杆在顶板锚固范围内部主要作用是产生水平方向的挤压应力,对层面

17、间的压应力影响作用不大;普通锚杆支护在顶板锚固范围内部主要是产生锚杆轴线方向的挤压应力,使在锚固长度一定范围内的岩(煤)层形成强度更高的内部围岩支护结构。根据对同样地质条件(直接顶粉砂岩厚度4 m左右,顶板表面以上0.9 m、2.0 m处存在弱面)的开切眼(桁架锚杆支护,锚杆长度2.2 m)和运输巷(普通锚梁网支护,端头锚固,锚杆长度1.8 m)顶板声波速度测试结(如图3.1所示)及两种锚杆支护的支护机理分析可得出桁架锚杆和普通锚杆支护对顶板的不同作用效果。图3.1 两种不同支护形式的顶板内部声波速度 (1)桁架锚杆支护使顶板围岩从巷道表面开始到锚头端的整个锚固范围内均处于高水平应力状态,有利

18、于减小或抵消在巷道表面产生的最大拉应力,从而提高顶板的承载能力和抗弯能力。由于巷道顶板一旦产生弯曲变形并与拉杆发生作用,顶板内部水平压应力便产生一个增加量,与此同时桁架锚杆对顶板产生反作用,限制顶板进一步弯曲下沉,这个反作用使顶板处于稳定状态。由此可见桁架锚杆具有使顶板尽快处于稳定状态、有效阻止顶板弯曲下沉的特性。(2)由于桁架锚杆提供给巷道顶板的主要是水平挤压压应力,顶板层面或弱面间的轴向压应力较小,因此层面或弱面之间“压密”程度较小(声波速度较低),弱面或层面间容易产生离层。为了防止这一现象的产生,桁架锚杆必须在顶板内部产生足够的压应力或在两倾斜锚杆之间的顶板安装足够的垂直于顶板岩层的加强

19、锚杆。(3)普通锚杆(群)支护的顶板,只有其锚固范围中部约锚杆有效长度的三分之一范围的锚固体处于“致密”状态(声波速度较高),这说明普通锚杆支护在顶板存在一定范围的内部支护结构,它承受着顶板的外载,控制着顶板的变形量和破坏程度。显然,该内部支护结构承受外部载荷的能力受它的厚度和强度所决定。(4)在锚杆锚头端,由于受到锚杆轴向工作阻力和巷道表面变形的共同作用,测得的声波速度较低,加之顶板表面以上2.0 m处有一弱面,使得顶板表面以上1.52.1 m范围内处于低声速段,顶板存在离层隐患。为防止顶板离层,普通锚杆支护必须在顶板内部形成足够强度和支撑能力的内部支护结构。3.3 结论与建议(1) 在顶板

20、全部锚固区内采用桁架锚杆支护产生挤压应力区,这种支护效果提高了顶板的抗弯能力。桁架锚杆与顶板的相互作用,能使顶板尽快稳定,有效的阻止了顶板的弯曲变形和离层现象的发生。,桁架锚杆在顶板内部的支护高度和水平压应力必须足够大才能达到预期效果，同时尽可能将顶板施加给两帮的垂直压力向巷道两帮深部转移。(2)对桁架锚杆支护技术的建议:倾斜锚杆的倾角应保持在40°60°范围之内,倾斜锚杆的长度应满足其在水平方向的投影长度深入巷道帮内的深度不小于500 mm,倾斜锚杆宜采用端头锚固或加长锚固,倾斜锚杆必须具有足够的抗拉强度和抗剪强度；拉杆根据顶板的完整性可设计为接顶或不接顶；从技术及经济的

21、角度看,桁架锚杆适用于顶板跨度大于4.0m的大跨度巷道的顶板支护。根据条件顶板可采用复式桁架锚杆或连续桁架锚杆支护,必要时应在顶板两倾斜锚杆之间安装一定数量、垂直于顶板的加强锚杆,以保证顶板支护的可靠性。(3)普通锚杆支护的关键是能否在锚杆锚固范围内形成一定强度和厚度的内部支护结构,两者共同决定该内部支护结构的支撑能力。在巷道围岩单向强度为定值时,内部支护结构的强度主要决定于单根锚杆可具备的工作阻力,锚杆对锚固体沿锚杆轴线方向的挤压力愈大,内部支护结构的强度愈高;内部支护结构的厚度主要由锚杆的长度和间排距决定。锚杆的长度愈长、间排距愈小,内部支护结构的厚度愈大。(4)普通锚杆支护应采用锚杆长度

22、中部(范围不低于锚杆有效长度三分之一)具有较高工作阻力的锚杆。为此,可采用以下支护建议:选择抗拉强度较高的材质制造锚杆；锚杆采用全长锚固。此外可适当加大锚杆的有效长度。4 桁架锚杆技术的应用4.1 桁架锚杆在特大断面开切眼中的支护本文主要基于东庞矿实验研究4，东庞矿相应地质条件：厚煤层(4.4一4.8 m)，一次采全高综采特大断面开切眼的 (切眼高度为3.5 m,宽为6.8 m,机窝处宽为7.8 m,转盘悬顶面积为60 m2), 研究设计采用交错复式桁架描杆组合支护。4.1.1 支护形式由于大采高综采设备外型尺寸大,吨位重,为了方便设备安装,要求切眼的尺寸也较大, 如果按传统支护形式采用木材支

23、护，不仅坑木耗量大,而且切眼维护也十分困难,切眼中木柱多,妨碍综采支架搬运,影响安装进度和质量。现采用桁架锚杆支护技术，顶板桁架锚杆采用两组单式桁架锚杆交错复合而成的支护型式(称为交错复式析架锚杆)。这种型式的支护不仅有利于掘进施工,而且在大跨度切眼中形成一个较为可靠的挤压加固带,并且可使压应力在巷道跨度中央叠加,形成高压应力区,从而可减少切眼跨度中央的顶板弯曲下沉。切眼中各交错复式桁架锚杆数量、间排距如图4.1所示。图4.1 桁架锚杆布置图4.1.2 支护效果通过对观测站内各观测地点的观测，采用桁架锚杆支护的开切眼围岩表面变形有以下特点A、顶底板相对移近量、顶板下沉量都很小。采用桁架锚杆支护

24、的开切眼与相同断面但采用木支护的开切眼同期观测数据相比,前者切眼跨度中央顶板下沉量明显小于后者的顶板下沉量。此外,采用木支护的开切眼由于顶底板移近量大,曾进行多次较大整修,尤其是转盘处围岩变形严重,而采用桁架锚杆支护的开切眼直至安装支架、设备完毕,共计135 d,没有维修过一次,转盘处围岩也比较稳定，大大的节省了时间，缩短了搬家所需时间，提高了工作效率。B、巷道掘进后围岩变形很快即趋于稳定。采用桁架锚杆支护的开切眼围岩变形受掘进影响的时间短,顶板的相对移近速度由10 mm/d以上降到l mm/d以下仅为4天,如此快的稳定速度是其它支护形式所不具有的。C、通过声波对顶板进行测量声波量测结果如图4

25、.2所示。声波量测曲线表明:顶板0.9 m、1.82.l m及2.7 m深处岩层中存在弱面或软弱夹层；在0.9 m以下靠顶板表面处声速较高,表明浅层围岩较致密完整,未因采掘影响而产生裂隙。对照同样顶板条件,采用锚梁网支护的开切眼两个孔声波量测数据(如图4.3所示)可见:下巷测站处顶板表面至0.6 m声速较低,表明顶板围岩在0.6以下已有裂隙,因无其它原因,故此裂隙显然是受巷道开掘影响而产生的。图4.2 工作面切眼顶板声波量测曲线图4.3 工作面下巷顶板声波量测曲线以上测量数据充分说明:因桁架锚杆支护结构使顶板岩层内有较高的挤压应力,使顶板抗弯能力较高,所以,虽然切眼跨度较大,然而顶板却不易弯曲

26、,故顶板围岩浅部不易产生拉应力裂纹而较完整,其支护效果较锚梁网更好。4.1.3 结论在特大断面开切眼中,采用交错复式桁架锚杆组合支护,使大跨度、大断面巷道顶板中既有垂直压应力又有水平挤压应力。同时,在易于变形下沉的顶板跨度中央形成应力叠加区,从而使顶板围岩变成高压应力加固的岩梁结构,对增加大跨度顶板的抗弯能力,减少顶板的弯曲下沉,提高顶板自身承载能力有显著效果。桁架锚杆对大断面煤巷具有良好的支护效果。实践表明:A、这种支护方式能使大跨度、大断面的开切眼围岩受掘进影响的时间明显短于其它支护方式,使围岩变形产生快速稳定现象,大大减小了围岩表面及深部的位移量,并使顶板浅部拉应力显著降低,从而减少甚至

27、不产生因掘进影响而形成的裂隙,使围岩整体稳定。巷道两帮维护条件相同的情况下,埋深较浅时用复式桁架锚杆支护效果较好;埋深很大时宜用单式桁架锚杆。B、在特大断面切眼中,交错复式析架锚杆组合支护大大优于传统的木支护,也优于锚梁网支护, 强巷道两帮的支护,能扩大桁架锚杆的适用范围,即使是复式桁架在较大埋深时也能较好地维护巷道顶板，可在平顶形大断面巷道、桐室及交叉点推广应用。4.2 锚杆索桁架控制系统在高应力巷道中的支护5本文主要基于峰峰集团新三矿的实验研究。对于高应力大断面复合顶板巷道来说，对顶板的控制是支护的关键，当顶板维护不当时，不仅导致顶板离层或下沉量加大，易诱发冒顶事故，而且还使两帮塑性区扩展

28、的速度加快和范围加大，从而导致巷道围岩整体变形破坏。4.2.1 高应力复合顶板煤巷变形特征研究在高应力作用下，结合置换煤巷顶板煤岩层物理力学参数，在巷道高度 L 取4.5 m不变的情况下，随巷道跨度 D 增大（D 分别取3.5、4.5、5.5、6.5 m 时）模拟巷道围岩塑性区分布及位移变形特征，分别如图 4.4、4.5 所示，图例由上至下依次为无、剪切屈服及恢复区、剪切屈服及剪切，张拉恢复区、剪切恢复区。图4.4 不同宽度时巷道围岩塑性区分布图4.5 不同宽度时巷道围岩变形量4.2.2 支护形式锚杆索桁架控制系统如图4.6所示，主要由长锚索、高强锚杆、钢筋梯子梁和专用联接器组成，锚杆索桁架系

29、统主要是通过高强锚杆和锚索桁架共同作用来完成对高应力大断面复合顶板巷道围岩控制；巷道掘进后，将单排 2根大直径锚索沿一定的角度伸入顶板深部稳定岩层中，锚索起关键的支撑作用，来保障大断面复合顶板岩层“大结构”的稳定性；高强锚杆和钢筋梯子梁串接，与顶板浅部围岩形成支护拱结构，共同组成顶板“索-拱”支护结构。锚杆索桁架控制系统合理参数设计流程如图4.7所示。图4.6 顶板锚杆索桁架支护结构图图4.7 锚杆索桁架系统合理参数设计流程图4.2.3 支护效果本文通过支护系统安装后顶板围岩随支护时间变形图对顶板无支护、传统锚杆索支护与锚杆索桁架支护进行对比研究： （1）顶板无支护时顶板变形量与支护时间关系如

30、图4.8(a)中曲线 1 所示，0 t0段为巷道开掘后巷道顶板围岩自稳阶段，顶板围岩由三向受压状态转为双向受压，顶板岩层刚强度差异较大，岩层间表现为离层，顶板围岩整体出现一定的下沉，但岩层间的粘结力作用使顶板结构暂时未出现破坏；t0 t1段，由于巷道断面大，顶板围岩承受的应力高，随开掘时间的增加，顶板围岩结构出现破坏，顶板变形速率增大，顶板出现较大的下沉量；t1 t2段，顶板变形量继续发展，当变形量超过顶板围岩极限变形量时，顶板变形速率呈倍数增大，并在较短时间内超越顶板自稳极限值，顶板发生冒顶灾害事故。（2）传统锚杆支护时顶板变形量与支护时间关系如图 4.8(a)中曲线2所示，0t3段，巷道开

31、掘后，顶板在岩层间形成的自稳结构和锚杆支护形成的厚层拱形结构共同作用下，顶板出现一定的变形，但变形量不大，且由于高应力作用下大断面顶板中部区域拉应力随时间快速增大，顶板深部岩层间出现较大离层，浅部锚杆支护形成的拱形加固层整体出现下沉，此时出现两种变形类型，如图 4.8(a)中曲线3和曲线 4所示，其中曲线 3 为顶板岩层刚强度差异较大或由软弱岩层组成，顶板变形速率加快，当超过顶板围岩结构承载极限时，顶板出现大面积的破坏和垮冒，曲线 4 是在顶板岩层差异不大且强度较大时，出现顶板大变形，但顶板破碎岩块间形成承载结构，能保持顶板的基本稳定，但若出现应力扰动情况，易发生突发性垮冒。（3）顶板锚杆索桁

32、架支护顶板变形量与支护时间关系如图 4.8(b)所示，0 t0段，巷道开掘后顶板应力状态改变，使得顶板围岩出现小幅下沉，但由于采用高预应力锚索桁架与高强锚杆联合支护，使开掘后的顶板双向应力状态转为近似三向应力状态，顶板深部岩层离层量小；t0 t1段，高强锚索桁架形成的预应力索结构有效控制顶板深部岩层离层的发展，而高强锚杆形成的预应力刚性拱结构保障了顶板浅部围岩结构的稳定性。因此，高强锚杆索桁架系统共同组成的预应力“索-拱”结构在高应力大断面巷道支护过程中使顶板围岩一直保持良好受压状态，有效控制复合顶板离层及整体变形；t1 t2段，巷道顶板承受动压或其他工程扰动时，破坏了顶板支护结构暂时平衡，顶

33、板出现一定下沉，但由于高强锚索桁架中联接器与倾斜锚索的楔形效应，顶板下沉量较小，随支护时间重新形成新的支护平衡结构，使支护期间顶板保持稳定。图 4.8 不同支护方式顶板变形与支护时间关系比较4.2.4 结论（1）高应力大断面复合顶板煤巷支护过程中受剪切应力作用明显，顶板浅部岩层受拉应力较大，并随断面增加，拉应力破坏范围不断扩展，巷道围岩变形量增长幅度顶板最显著，两帮其次，底板最弱。（2）研究了“索-拱”支护结构为核心的锚杆索桁架系统，从理论上证实了新型支护系统结构的可靠性及控制高应力大断面复合顶板煤巷离层和围岩大变形优越性。（3）锚杆索桁架系统对高应力大断面复合顶板煤巷支护效果明显，支护试验后

34、巷道顶板变形量仅为原支护时巷道变形的 13.8%，顶板内、外离层量小，保障了置换煤巷围岩的安全、稳定。4.3 桁架锚杆在 “三软”全煤巷中的支护64.3.1 作用机理在桁架倾斜锚杆和施加高安装应力水平钢绞线的作用下,桁架系统对顶板岩层产生压缩和托顶作用,改善了顶板岩层的受力状态,增大了顶板裂隙体中的压应力和摩擦力,将顶板的变形延伸到巷道两侧(帮),减小甚至抵消了顶板中部可能产生的拉应力。两根倾斜锚杆通过水平钢绞线协调受力,具有一定的柔性,允许顶板适量下沉,在下沉过程中顶板裂隙体摩擦力增大,产生自锁作用,从而能够有效地维护高应力区的破碎顶板。在顶板施加垂直锚杆(索)后,桁架系统和垂直锚杆(索)共

35、同作用,可有效地提高围岩的残余强度,充分发挥围岩自身的承载能力,形成顶板加固圈或组合梁。在铺设桁架后,使所有的锚杆联合在一起,一旦其中有一根锚杆失效,其它锚杆和桁架可分担失效锚杆的作用。通过锚杆、桁架的作用,使顶板形成一个“加固的组合梁”或“加厚的承载带”。通过对巷帮采用锚杆支护使煤帮形成一个煤砌体墙,从而实现了顶帮的完整性,加强了煤帮对顶板的有效支撑。4.3.2 工程实例龙口矿业集团煤业公司某煤位于我国著名的软岩巷道支护矿区,特点是巷道顶板、底板和煤层均为软岩(其岩性见表4.1),顶底板泥页岩具有遇水膨胀的特点,而且顶底板泥页岩硬度大部分小于煤体强度,为巷道支护带来了很大困难。4108上顺沿

36、煤46底板以上500 mm施工,顶煤厚度410 412 m。煤4直接顶板为碳质泥岩及泥岩与砂岩互层,泥岩吸水膨胀,砂岩疏松、含水,属易冒落顶板。采用综放开采技术,回采巷道为全煤巷道且受采动影响严重,对软岩顶板的控制很困难,对支护和维护极为不利,会严重影响综放开采技术安全、高产、高效的实现。表4.1 顶底板岩性顶底板名称岩石名称厚度/m岩性特征直接顶泥岩、砂岩62.5泥岩灰白色，含粉砂质，粗砂岩以石英、长石为主煤46含多层夹矸6.82煤层倾角9°直接底油2.82棕褐色，重度较小，韧性大根据该矿4108上顺槽的地质和采矿条件特点:(1)煤体硬度小,煤4含有多层遇水软化的不稳定性夹层,造成

37、沿煤层掘进的巷道两帮支护困难；(2)巷道沿底掘进,顶煤厚410 412 m,顶煤以上是碳质泥岩、泥岩及砂岩互层的复合顶板,且泥岩遇水膨胀,砂岩疏松含水,属于最不稳定的顶板。因此4108顺槽的支护方案为锚杆+桁架+焊接金属网+W钢带。为了研究顶板下沉量随桁架锚杆倾角及水平钢绞线预紧力的变化,用有限元模拟了桁架锚杆倾角及水平钢绞线预紧力的多种情况。模拟结果表明:合理的桁架锚杆倾角在15° 60°之间,以45°为宜；适宜的水平钢绞线的预紧力在90 100 kN,钢绞线采用SKL15 -1 /1860型,直径为15024 mm。同时,还模拟了综放回采巷道顶底移近量及两帮移

38、近量随锚杆预应力F的关系,如图4.9所示。结果表明,锚杆预紧力为6070 kN时,对围岩控制的效果最为明显。因此,确定桁架倾斜锚杆的角度为与水平呈45°,其预紧力为60 kN,水平钢绞线的预紧力为90 kN。4.3.3 矿压观测及支护效果分析巷道掘进阶段,对巷道进行了巷道表面、顶板观测,测站布置紧贴掘进头安设,经过近1个月的观测,基本掌握了锚杆支护巷道的矿压显现规律,经过整理,观测数据见表4.2。图4.9 围岩收敛变形量随锚杆预应力的变化曲线表4.2 锚杆支护成巷期间的矿压显测数据测站移近量/mm最大移近速度/（mm/d）两帮顶沉两帮顶沉11126818621474010793101

39、79401241557168859646491361374337678557307通过现场观测和表4.2数据可以看出:(1)桁架锚杆支护系统有效地控制了围岩的变形,顶、帮桁架锚杆支护效果显著,顶、帮煤体的整体性和稳定性较好,两帮的最大移近量为155 mm,最小为85 mm,顶板的最大下沉量为79 mm,最小为43 mm;(2)桁架锚杆支护系统的每一组成部分均有效地发挥了各自的性能,取得了很好的综合支护效果;(3)设计所选用的桁架锚杆支护系统可有效控制巷道围岩变形,达到了预期的支护效果。4.3.4 结语(1)4108上顺槽试验的成功,说明了该条件下桁架锚杆支护系统技术上可行,安全性好,经济上合理

40、,并初步确定了其支护参数,为该矿类似条件下推广应用锚杆桁架支护技术提供了借鉴和依据。(2)该巷道锚杆桁架支护技术对于顶、帮煤支护效果都很好,形成了锚固平衡拱,对于回采巷道快速安全掘进,降低巷道支护和维护成本,提高矿井经济效益,充分发挥综放开采技术的经济优势,实现安全、高产、高效开采具有重要意义。5 桁架锚杆支护参数的探讨桁架锚杆支护效果除了与工程地质条件有关之外,还与其形式与布置参数密切相关,其中主要布置参数包括锚杆长度、角度、孔帮距(孔口至巷帮的距离)等,本实验采用数值模拟研究方法,对不同布置参数的支护效果进行模拟计算,从而优化合理布置参数。数值模拟采用日本软脑公司开发的2D-R有限元软件,

41、该软件不仅具有很强的前后处理功能,而且计算速度高,可模拟施工顺序及弹性、非线、弹塑性等多种模型,可以解决地应力、接触面、锚杆、梁等一系列岩土工程中的常见问题7。计算模型为平面应变弹塑性模型,选用Mohr -Coulomb准则,采用阶段分析法模拟原岩应力状态、开挖、支护三阶段。模型柱状以邢台东庞煤矿2108综放回采巷道工程地质条件为基础,采深430 m,近水平赋存,煤厚8.0 m,f=1.5,煤层顶底板岩性如图5.1所示。模型高度与宽度均为65 m,单元2200个,节点6800个,综放回采巷道沿煤层底板布置,矩形断面,宽4.0 m,高3.0 m。模型等效岩体力学参数采用正算位移反分析方法求得,见

42、表5.1。表5.1 模型岩体等效参数名称弹性模量E/MPa泊松比/C/MPa./(°)密度中粒粗砂岩38000.24302.54粉砂岩16000.271.7272.5煤4000.350.4201.56泥页岩5600.321.3252.1细砂岩30000.233.2292.535.1 桁架锚杆合理角度模拟支护参数为:顶板桁架锚杆长2.2 m,孔帮距0.2 m,中部有一根垂直锚杆,锚杆角度为40°、50°、60°、70°、80°五种,帮锚杆长1.9 m,排距0.8 m。桁架锚杆不同角度时巷道围岩变形形态基本相同,但顶、帮结构部位的变形量与

43、角度有着密切关系,当角度为40°、50°、60°、70°、80°时,顶沉量分别为:108、95、65、82、118 mm,两帮移近量分别为49、50、53、64、98 mm,底鼓量基本一致。可见,桁架锚杆角度变化对顶板变形影响较大,对两帮也有一定影响,对底鼓基本无影响;锚杆角度为60°时支护效果最好,说明桁架锚杆角度存在最优值,过大或过小都不利于发挥其控制围岩变形的能力。桁架锚杆角度对围岩塑性区范围的影响与上述规律相同,其中顶板塑性区范围分别为1.32、1.03、0.73、1.34、1.34 m,两帮分别为1.45、1.44、1.32

44、、1.34、1.46 m。可见,桁架锚杆角度为60°时对围岩塑性区的控制效果也是最好的。5.2 桁架锚杆合理长度模拟桁架锚杆长分别为1.8、2.0、2.2、2.4 m四种,角度60°,其它参数同前。锚杆长对巷道围岩变形有明显影响,四种长度条件下顶沉量分别为82、63、61、75 mm,两帮移近量分别为85、54、54、72 mm。可见,锚杆长为2.0 2.2 m,时能较好控制围岩变形,锚杆长度过小或过大都起不到应有的支护效果。锚杆长度过小,则锚杆在两帮的水平投影长度较小,两帮浅部的煤体受力增大,从而造成两帮和顶板变形增大；锚杆长度过大,则由于顶板中两锚杆包围的面积较大,顶板

45、荷载转移到两帮的也较大,造成两帮煤体受力增大,也不利于两帮及顶板的维护。5.3 桁架锚杆合理孔帮距模拟桁架锚杆孔帮距分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m六种,其他支护参数同5.1所述。锚杆孔帮距对巷道围岩变形及围岩塑性区范围均有明显影响,六种参数条件下的顶沉量分别为119、89、65、98、100、111 m,两帮移近量分别为99、87、53、70、100、101 mm,塑性区宽度顶板分别为1.35、1.01、0.74、1、24、1、36、1.41 m,两帮分别为1.67、1.42、1.30、1.55、1.82、1.84 m。桁架锚杆除了对顶板岩层起到兜吊作用,还对顶板岩层产生

46、横向抗力,减少顶板下部岩层的拉应力,从而有效地控制顶板纵向裂隙的发育,并通过两侧锚杆将顶板荷载转移到两帮上,因此桁架锚杆孔帮距存在最优值,并非孔帮距越小越好,过大或过小都不能使桁架锚杆发挥横向抗力的作用,通过模拟计算认为,孔帮距的合理值为0.2 m。5.4 桁架锚杆支护效果与垂直锚杆的关系模拟巷道桁架锚杆支护结构中垂直锚杆对支护效果的影响,分别按无垂直锚杆、顶板中部1根垂直锚杆、桁架宽度内均匀布置2根垂直锚杆等三种支护形式。顶板中无垂直锚杆与1根垂直锚杆相比,顶板和两帮变形量分别增大了47.26%、42.27%,顶板和两帮塑性区分别增大了70.27%、33.08%。布置1根或2根垂直锚杆时,巷

47、道围岩变形与塑性区基本没有变化。可见,桁架锚杆支护结构中有无垂直锚杆对巷道支护效果有着很大的影响,无垂直锚杆对巷道的维护有着明显不利的影响,在桁架宽度的中部增加1根垂直锚杆可显著地提高桁架锚杆的支护效果,均布2根垂直锚杆与中部布置1根垂直锚杆的支护作用相近,以中部增加1根垂直锚杆最为合理。6新型桁架锚杆支护技术煤巷预应力桁架锚杆支护技术8 6.1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、锚具

48、组成，如图6.1所示。图6.1 预应力桁架结构（部分钢绞线）6.2 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，如图6.2所示,该结构不仅能通过大变形实现对外层结构的适应性,同时还能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.图6.2 预应力桁架的承载结构与作用机理6.3 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,外端顶煤易破碎,并导致锚索松动；3)钢绞线抗剪性