大斷面復合頂板高預緊力超強錨網(wǎng)索組合支護技術實踐

常建波（淮南礦業(yè)集團謝一礦，安徽 淮南 232052）

1 地質概況

淮南礦業(yè)集團謝一礦5111B11b工作面標高-660～-720m，南至F13-4斷層，北至F12-12斷層，上階段已采至-640m標高。走向長1 000m，傾斜寬182m，對應下伏的B10煤層5111B10工作面正在回采，5121B10已回采完畢。該工作面煤層走向為320°～330°，煤層傾角21°～24°。煤層賦存較穩(wěn)定，B11b煤層厚度為3.0～5.6m（煤厚變化大,南段煤厚小,北段煤厚大,煤厚最大為5.6m，最小為3.0m），平均為4.3m，局部有一層夾矸,宏觀煤巖類型為半暗型～半亮型，物理性質為黑色、粉末狀、弱玻璃光澤～玻璃光澤、斷口平坦。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

2 巷道支護特點

（1）埋深較深，埋深在680～740m左右。

（2）煤層較厚。根據(jù)地質勘探孔及石門揭露煤層資料顯示5111B11b煤層厚度為3.0～5.6m，平均煤厚為4.3m，局部有一層夾矸，煤層硬度較小，兩幫控制較為困難。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

（3）煤層頂板為復合頂板。5111B11b煤層偽頂為深灰色，富含豐富植物化石碎片的泥巖夾煤線，直接頂為灰色，致密的砂質泥巖，老頂為灰白色細砂巖。煤層頂板巖性變化較大，且為復合頂板，支護難度較大。

5111B11b工作面巷道支護設計屬深井大斷面厚煤層復合頂板圍巖穩(wěn)定性控制問題，該類巷道兩幫及頂板的控制難度都很大，復合頂板的安全狀況較差，為滿足回采和安全的要求，擬采用高預應力超強錨網(wǎng)索組合支護技術。

3 錨桿支護參數(shù)設計

3.1 支護參數(shù)確定原則

（1）支護設計確保支護安全，避免在服務期間進行大面積維修。

（2）支護參數(shù)和支護材料規(guī)格具有較好的適應性和施工可行性，由于井下巷道圍巖條件變化很大，從支護合理性考慮，可能出現(xiàn)多種支護參數(shù)和支護材料規(guī)格，但這不利于巷道施工和管理。因此，盡可能采用統(tǒng)一的支護參數(shù)和材料規(guī)格。

（3）支護設計要在保證支護質量的同時，有利于提高巷道掘進速度。

（4）在滿足前三項原則的前提下經濟合理。

3.2 確定巷道斷面

考慮到該工作面采用綜采方式回采，同時滿足通風、運輸、行人等安全生產的需要，并考慮一定的巷道變形量，5111B11b工作面設計上、下順槽巷道斷面均為斜梯形，凈寬×中高=5.0m×2.8m；煤層傾角按22°計。順槽巷道掘進時，以砂質泥巖為直接頂掘進施工，煤層所處位置以謝一礦望峰崗井考慮運輸方便為宜。參考現(xiàn)有科技成果和工程實踐經驗，最終確定巷道采用樹脂加長錨固強力錨桿錨索組合支護系統(tǒng)。

3.3 具體支護參數(shù)

3.3.1 頂板支護

①錨桿：桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋高強度錨桿，長度2.4m，螺紋長度為150mm，采用高強錨桿螺母M24×3。②錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支低粘度樹脂藥卷，一支規(guī)格為K2335，另一支規(guī)格為Z2360，鉆孔直徑為30mm。③采用W鋼帶護頂：鋼帶厚度4mm，寬280mm，長度5 100mm。④錨桿配件：采用高強托板配合調心球墊和尼龍墊圈，托盤采用拱型高強度托盤，托盤規(guī)格為150mm×150mm× 12mm，承載能力不低于桿體極限拉斷力。⑤網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬網(wǎng)護頂，規(guī)格為5 600mm×900mm，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm。⑥錨桿排距800mm，每排5根錨桿，間距800mm。⑦設計錨桿預緊力矩為300N·m。⑧錨索材料為?22mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度8300mm，鉆孔直徑30mm，采用一支K2335和兩支Z2360低粘度樹脂藥卷錨固。⑨錨索托盤：采用300mm×300mm×16mm高強度拱型可調心托板及配套鎖具。⑩錨索排距800mm，每排2根錨索，間距2 400mm，錨索布置在鋼帶2#孔及5#孔位置，安裝角度垂直于巷道頂板，安設位置見支護圖1?！?1錨索張拉力300kN。

3.3.2 巷幫支護

①錨桿形式和規(guī)格：桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋高強錨桿，長度2.5m，采用高強錨桿螺母M24×3。②錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支低粘度樹脂藥卷，一支規(guī)格為K2335，另一支規(guī)格為Z2360，鉆孔直徑為30mm。③W鋼帶規(guī)格：采用W鋼帶護幫，鋼帶厚度4mm，寬280mm,上幫鋼帶長度為3 500mm,下幫鋼帶長度為1 700mm。④錨桿配件：采用高強托板配調心球墊和尼龍墊圈，托盤采用拱型高強度托盤，規(guī)格為150mm×150mm×12mm，承載能力不低于桿體極限拉斷力。⑤網(wǎng)片規(guī)格：采用金屬網(wǎng)護幫，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，規(guī)格分別為3 800mm×900mm（上幫）和1 800mm×900mm（下幫）。⑥錨桿布置：上幫4根錨桿，間距為1 000mm；下幫為3根錨桿，間距為700mm。錨桿排距均為800mm。⑦錨桿角度：上幫第一根錨桿角度與水平方向向上傾斜25°，幫部底部錨桿與水平方向向下傾斜30°，其余錨桿垂直巷幫打設。⑧設計錨桿預緊力矩為300N·m。具體支護參數(shù)見圖1所示。

圖1 5111B11b順槽支護斷面圖

4 錨桿與錨索支護機理

4.1 錨桿的支護機理

巷道開掘階段頂板破壞范圍較小，此時錨桿的作用主要是控制頂板下部巖層的滑動、離層、失穩(wěn)。錨桿安裝越及時，預緊力越大，則效果越好。以圖2中的h1巖層為例進行分析。

圖2 頂板錨桿的受力狀況

式中：P0——錨桿預緊力，kN；

d——錨桿直徑，m；

τ——錨桿抗剪強度，MPa；

n——每排錨桿數(shù)；

Dr——錨桿排距，m；

f——巖層問的摩擦系數(shù)；

l1——h1巖層寬度，m。

可見，錨桿預緊力越大，錨桿越粗，提供的抗剪錨桿安裝后沿h1與h2層間增加的抗剪力τb為:力越大，h1與h2巖層間越不容易發(fā)生松動。即使h1與h2巖層之間的黏結力喪失，在水平應力作用下發(fā)生壓曲，壓曲臨界載荷也會得到明顯提高。因此錨桿明顯減小了h1巖層壓曲的跨度和約束條件。計算表明，預應力錨桿可使巖層壓曲臨界載荷提高到原來的4(n-1)倍多，顯著減小了巖層失穩(wěn)的可能性。相反，如果錨桿沒有預緊力，則只有當巖層產生一定變形時錨桿才有載荷，不能控制在這以前頂板巖層的離層和失穩(wěn)，預應力太小也不能起到良好效果。如果錨桿安裝不及時，較大范圍內的巖層已產生滑動、失穩(wěn)、離層，巖層承載能力喪失很大，再安裝錨桿，不能取得良好的錨固效果。

4.2 錨索支護機理

與錨桿相比，錨索具有錨固深度大、錨固力大、可施加較大的預緊力等諸多優(yōu)點，是困難巷道工程支護加固不可缺少的重要手段。一般認為這種錨索主要起懸吊作用，錨索把下部不穩(wěn)定巖層懸吊于上部穩(wěn)定的巖層。根據(jù)以上分析的錨桿支護機理，錨索的作用主要是將錨桿支護形成的次生承載層與圍巖的關鍵承載層相連，阻止因次生承載層失穩(wěn)而引起的頂板垮落。同時，由于錨索可施加較大的預緊力，可擠緊和壓密巖層中的層理、節(jié)理裂隙等不連續(xù)面，增加不連續(xù)面之間的摩擦力，從而提高圍巖的整體強度。

5 礦壓觀測及結果分析

5.1 頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏?/h3>

采用十字布點法安設表面位移監(jiān)測斷面，見圖3。在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蜚@?30mm、深400mm的孔，將?30mm、長400mm的木樁打入孔中。頂板和上幫木樁端部安設彎形測釘，底板和下幫木樁端部安設平頭測釘。兩監(jiān)測斷面沿巷道軸向間隔0.6～1.0m。觀測方法為：在C、D之間拉緊測繩，A、B之間拉緊鋼卷尺，測讀AO、AB值；在A、B之間拉緊測繩，C、D之間拉緊鋼卷尺，測讀CO、CD值；測量精度要求達到1mm，并估計出0.5mm；采用皮卷尺測量監(jiān)測斷面距掘進工作面的距離。測量頻度為：距掘進工作面和采煤工作面50m之內，每天觀測一次，其它時間每周1～2次。

圖3 巷道表面位移監(jiān)測斷面布置圖

（1）兩幫移近量。上幫煤璧側移近量較為明顯，最大移近量為400mm，平均移近量為240mm，下幫煤璧側最大移近量為200mm，平均移近量為100mm，兩幫均無破壞現(xiàn)象發(fā)生。

（2）底板底鼓量。最大底鼓量為200mm，平均底鼓量為80mm。

5.2 頂板離層情況

錨網(wǎng)索支護開始掘進3～5m后，布點安裝頂板離層儀。無構造區(qū)域頂板離層儀隨巷道掘進每隔50m布置一個測站，構造帶區(qū)域巷道適當加密布置，每1個測站內設兩個測點。淺部基點2.5m，深部基點8m；其監(jiān)測內容為：頂?shù)装逦灰屏?、兩幫位移量，全巷不少?個全斷面的支護載荷觀測；并用掛牌標明，對于支護變更地段，交岔點、地質異常帶、頂板破碎段適當增加。5111B11b順槽頂板離層監(jiān)測結果見圖4所示。掘進期間錨固區(qū)內頂板離層值為14mm，頂板8m范圍內總離層值不大于20mm，離層不大。通過分析對頂板離層監(jiān)測結果分析頂板離層變化分為3個階段：在掘進后10天，離層發(fā)展快速；10天后逐漸進入緩慢變形階段；兩個月后進入穩(wěn)定階段。錨網(wǎng)索支護有效控制了頂板離層，特別是在控制處于錨固范圍外的符合破碎頂板的離層發(fā)揮了重要作用。

圖4 5111B11b順槽頂板離層監(jiān)測變化曲線

6 結論

謝一礦5111B11b順槽復合頂板超強錨網(wǎng)索組合支護技術的運用實踐證明可有效控制巷道頂板的下沉，有效地控制圍巖及煤體變形，顯著提高了巷道支護效果，保證了巷道安全程度，為安全回采創(chuàng)造了良好的條件。

總之，巷道采用超強錨網(wǎng)索組合支護技術顯著提高了巷道支護效果，降低了巷道支護成本，減輕了工人勞動強度，改善了作業(yè)環(huán)境，保證了安全生產，提高了巷道掘進速度，拓寬了超強錨網(wǎng)索組合支護使用范圍；同時也取得了顯著的經濟效益和社會效益。

[1]宋宏偉.井巷工程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[2] 康紅普.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2007.

[3] 侯朝炯，郭勵生，勾攀峰等.煤巷錨桿支護[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1999.