大断面采动影响煤巷锚索槽钢梁桁架非对称围岩加固技术琚全室王红胜于兴建奎磊奎森林奎筮山西中煤华晋能源有限责任公司生产技术处西安科 技大学能源学院教育部西部矿井幵采及灾害防治重 点实验室摘要：为冇效控制大断面采动影响煤巷围岩变形和实现支护结构体在围岩控制过程中 的持续稳定，提出丫锚索槽钢梁桁架非对称支护技术。首先，基于王家岭煤矿 20103工作而运输巷地质条件，建立了锚索槽钢梁桁架非对称支护结构力学模 型，掌握了非对称支护顶板弯矩分布规律，得到了顶板弯矩减小最大区域距窄 煤柱帮2. 4 m处。其次，采用数值模拟分析方法对锚索槽钢梁桁架非对称支护参 数进行了优化，确定了桁架偏心距为500 mm，锚索长度为8 m,桁架跨距为1.5m 等关键参数。最后，在20103工作面运输巷开展了工业性试验分析，工程应用效 果表明，在锚索槽钢梁桁架非对称加固下，巷道围岩变形对采动影响的敏感性 减弱，巷道围岩变形量较小，保障了 20103工作面高强度安全高效回采。关键词：人断面;煤巷;锚索;槽钢梁;桁架;非对称支护;作者简介：琚全宗（1964-）,男，江苏吴县人，工程师，E-mail:910125128qq. com收稿日期：2017-04-25基金：国家重点基础研究计划（973计划）（2015CB251600）Cable-girder-truss asymmetric reinforcement technology of thelarge section coal roadway affected by miningJU Quan-zong WANG Hong-sheng YU Xing-jian LI Lei LI Sen-1in LI BinProduction Technology Department, China CoalHuajin Energy Co.，Ltd. ; College of Energy Science and Engineering, Xi an University ofScience and Technology;Abstract：To control the surrounding rocks deformation of large section coal roadway affected by mining and to realize the sustainable stability of the supports structural morphology during the process of surrounding rock controlling, the cable-girder-truss asymmetric support technology was proposed. Firstly, based on the geological conditions of the No. 20103 coalface transport lane in Wangjialing coalmine, the structural mechanics model of the “cable， U-bar and bean” truss asymmetric support was established, and the distribution regularity of the roof bending moment was obtained, and the distance was 2. 4 in between the maximum decrease of the roof bending moment and the narrow coal pillar. Secondly, the asymmetric support parameters were optimized by the method of numerical simulation, and the truss eccentricity was 500 mm, and cable length was 8 m, and the truss s span was 1. 5 m. Finally, industrial test analysis was carried out in the No. 20103 coalface transport lane, and the engineering application effect shows that under the “cable, U-bar and bean” truss asymmetric support, the deformation of roadway surrounding rock becomes less sensitive to the mining influence with less deformation in the roadway surrounding rock to ensure the No. 20103 coalface was mined intensively and effectively.Keyword：large section; coal roadway; anchor wire; beam channel; truss; asymmetrical support:Received： 2017-04-250引言中煤华晋能源冇限责任公司王家岭煤矿因采掘接替紧张，多在上区段工作面采 空区顶板运移尚未完全稳定即开始下区段沿空掘巷工作，受相邻综放面上覆岩 层运动破坏动态过程及其高支承动压影响m，巷道矿压显现剧烈。为提高煤炭 资源回收率，20103工作面采用综放窄煤柱沿空掘巷，区段煤柱宽为8.0 m.为便 于工作面大型机械设备安装，巷道宽度由原来的5. 2 m增加为5. 6m.以上对巷道 稳定性产生了不同程度影响，现场开采实践已表明冋采巷道变形破坏已严重制 约丫矿井安全高效生产，迫切需要开展受采动剧烈影响大断面煤巷的加固技术 研宄工作，以保障回采巷道系统畅通和大型综放工作面正常推进。众多学者提出并开发了不同类型锚索加固技术，并在复杂困难巷道支护和补强 加固中得到了推广应用。文献2提出了小孔径预应力锚索加固大断面、围岩松 软、受地质构造和采动影响等困难条件巷道，取得了良好的工程应用效果。文献3提出Y预应力锚索快速加固技术，解决深井巷道底鼓治理难题。文献4采用 非对称支护技术有效控制了复杂构造应力下沿空掘巷围岩变形。文献5针对跨 采采动应力对下山影响范围，提出了小孔径锚索分区加固技术。文献6为解决 深部软岩高应力动压巷道维护难题，提出了釆用锚网索喷+锚注联合支护。文献 7-8建立了含软夹矸层巷道自稳平衡拱支护模型，提出了加强巷道上帮支护， 控制外错滑移破坏的控制原则，给出Y顶板锚索与煤帮长锚杆加强支护方案， 取得了良好的工程应用效果。文中针对20103工作面综放窄煤柱沿空掘巷围岩破 坏特点，提出了锚索槽钢梁桁架非对称加固技术。1工程概况1. 1工作面位置20103工作面北部为20105采空区，南部为未开采的20101工作面，东部分别为 中央回风大巷、中央胶带大巷和中央辅运大巷。20103工作面倾向长为261 m,走 向长为1 231.7 m. 20105工作面回采结朿2个月后，20103运输巷沿20105采空 区边界掘进，区段煤柱宽为8 m.工作面位置如图1所示。图1工作面布罝图Fig. ICoalface layout下载原图1.2煤层赋存条件20103工作面煤层赋存稳定，钻孔揭露煤层平均厚度为6. 28 m.煤层结构较复杂, 一般含广2层炭质泥岩、泥岩夹矸。基本顶为粉砂岩，灰色厚层状、细粒结构、钙质胶结、层面含暗色矿物、具平行层理和交错层理。直接顶为砂质泥岩，灰黑 色、砂泥质胶结、含植物化石、滑面发育、多发育薄层炭质泥岩。直接底为泥岩， 黑灰色、泥质结构、主要成分为粘土矿物、含丰富植物叶茎化石，断口平坦，易 风化碎裂。棊本底为粉砂岩，黑灰色厚层状、细粒结构、钙质胶结、层面含暗色 矿物，具平行层理和交错层理。20103工作面综合柱状图如图2所示。2锚索槽钢梁桁架非对称支护结构力学模型2. 1岩结构力学模型建立20103运输巷受20105工作面冋采后侧向支承压力影响，在未支护条件下，巷道 顶板弯矩和挠度呈显著非对称分布，且弯矩和挠度的“重心”位于巷道中心线 与煤柱帮之间，该区域顶板破碎，完整性较差。巷道采用“锚索+槽钢+梁”桁架 非对称支护，并施加高预应力。钢筋梯子梁刚度较小，视其为柔性;槽钢梁刚度 较大，其对顶板支护力为均布载荷。“锚索+槽钢+梁”桁架非对称支护围岩结构 力学模型如图3所示。图 2 工作面煤层综合柱状图 Fig. 2 Coal seam comprehensive histogram of coalface下载原图图3非对称支护围岩结构力学模型Fig. 3 Asymmetric support structure mechanical model下载原图2.2非对称支护力学模型根据图3所示“锚索+槽钢+梁”桁架非对称支护围岩结构力学建立“锚索+槽钢 +梁”桁架非对称支护力学模型9-10，如图4所示。图4 “铺索+槽钢+梁”析架非对称支护力学模型Fig. 4 Asymmetric support structure mechanical model of “cable, Ubar and beam” channel” truss 下载原图 由XZ=0可得对0点取矩，可得式中 P=2F/1.联立式（1）、（2）可得釆用“锚索+槽钢+梁”桁架非对称支护后，巷道顶板弯矩减小量为1）当 0xs 时，2）当 sxb-t-1 ffJ,3）当时，4）当b-t彡x彡b时，根据 20103 工作面地质参数取，F=250 k N, s=1.6 m, 1=2. 2 m, b=5. 6 m, t=0. 5 m,带入式（4）、（5）、（6）、（7），可得到20103运输巷采用锚索槽钢梁桁架非对称支护后顶板弯矩减小量分布（图5）。图5 “锚索+槽钢+梁”桁架非对称支护顶板弯矩图Fig. 5 Asymmetric support roof bending moment diagram of “cable, U-bar and bean” truss 下载 原图 由图5可知，采用锚索槽钢梁桁架非对称支护后，顶板弯矩减小最大区域为 x=3. 2 m处的附近区域，是槽钢梁支护区域，且槽钢上幵长条孔，即使巷道顶板 发生水平移动也不影响槽钢梁支护区域顶板的垂直受力，能有效控制巷道顶板 非对称下沉和水平移动问题。3锚索槽钢梁桁架非对称支护数值模拟3.1模型建立釆用非线性数值分析软件FLAC5. 0对影响巷道稳定性的非对称加固参数进行了 了优化分析。模型尺寸为450 mX200 mX50 m,采用摩尔-库仑本构关系模型 10-11。20103运输巷断面为宽X高=5. 6X3. 55 m，巷道左侧为实体煤，右侧 为8 m窄煤柱以及20105工作面采空区，煤层平均厚为6. 21 m.3.2模拟方案设计为分析预应力锚索槽钢梁桁架非对称支护对巷道围岩控制效果，并确定合理支 护参数，提出了锚索槽钢梁桁架非对称支护方案见表1.表1支护方案Tab. lSupport schemes 下载原表3.3模拟结果及分析3. 3.1巷道变形特征与桁架偏心距关系由图6可知，当桁架偏心距为200500 mm时，巷道围岩各测点变化规律