基于有效錨固層厚度的煤系巷道頂板疊加梁支護(hù)理論及應(yīng)用

姚強(qiáng)嶺，李英虎，夏 澤，李學(xué)華，王烜輝，晁 寧

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年新掘進(jìn)煤礦巷道總長(zhǎng)達(dá)12 000 km，超過75%的新掘巷道采用錨桿支護(hù)方式，并且這一比重將繼續(xù)增加。煤系巷道錨桿支護(hù)經(jīng)典理論包括：LOUIS A Panek提出的懸吊理論、JACOBIO等提出的組合梁理論、LANG T A等提出的組合拱理論、侯朝炯等提出的巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論、董方庭等提出的圍巖松動(dòng)圈理論及GALE W J通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬分析得出的最大水平應(yīng)力理論等。依據(jù)錨桿適用條件可將經(jīng)典錨桿支護(hù)理論分為3類，一類主要基于處于彈性狀態(tài)的完整巖體建立：組合梁理論認(rèn)為錨桿主要作用是通過較大的預(yù)緊力將多層薄巖層緊固組合在一起，形成一個(gè)較厚的梁結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)頂板強(qiáng)度和剛度；組合拱理論認(rèn)為預(yù)應(yīng)力錨桿在圍巖中形成的壓應(yīng)力區(qū)可在合理設(shè)計(jì)條件下彼此連成一個(gè)有一定厚度的具有較大承載能力的壓縮拱。第2類則充分考慮了巷道圍巖塑性破壞后處于峰后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度下的破裂巖體力學(xué)特性：松動(dòng)圈支護(hù)理論認(rèn)為圍巖破裂過程中的巖石碎脹變形是支護(hù)的對(duì)象，松動(dòng)圈越大，碎脹變形和圍巖變形量越大，巷道支護(hù)也越困難；巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論認(rèn)為圍巖中安裝錨桿后可不同程度地提高其力學(xué)性能指標(biāo)與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。第3類最大水平應(yīng)力理論則更多的是一種支護(hù)方法論，著重強(qiáng)調(diào)工程實(shí)施應(yīng)用的科學(xué)性。

近年來對(duì)于錨桿支護(hù)機(jī)理的研究主要包括2個(gè)方面，一方面錨桿與頂板相互作用形成強(qiáng)度更大的耦合承載結(jié)構(gòu)：如楊建輝等提出了層狀頂板的組合拱梁支護(hù)機(jī)制理論，通過計(jì)算組合拱梁平均應(yīng)力分析出相關(guān)因素對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響；左建平等通過分析巷道頂板的受力及破壞機(jī)理，提出了深部巷道等強(qiáng)梁支護(hù)力學(xué)模型，并結(jié)合數(shù)值模擬驗(yàn)證了該理論的應(yīng)用可行性；另一方面則是錨桿等支護(hù)體系能夠?qū)ο锏绹鷰r的自承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固：如黃慶享等揭示了巷道圍巖垮落存在自穩(wěn)平衡現(xiàn)象的機(jī)制，并提出巷道支護(hù)的自穩(wěn)平衡圈理論，多次成功應(yīng)用于軟巖巷道支護(hù)；鄭建偉等提出了巷道等效斷面支護(hù)原理，認(rèn)為人工支護(hù)的目的是促使圍巖內(nèi)部形成具有一定軸比的“橢圓狀”自承載結(jié)構(gòu)，并利用該理論指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)設(shè)計(jì)。

煤系地層是典型的層狀沉積巖層，圍巖條件復(fù)雜，巷道深部圍巖是力學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的基本頂和基本底，淺部圍巖力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較差，多為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖、煤線等互層狀間巖層組合，巖層與巖層之間的膠結(jié)較差，受動(dòng)壓影響后容易產(chǎn)生離層。也存在如單一巨厚硬質(zhì)砂巖結(jié)構(gòu)等頂板類型，而厚度較大的沉積巖由于成巖及后生過程中溫度、壓力等因素的不同，即使在同一巖層的不同位置也會(huì)表現(xiàn)出不同的工程地質(zhì)特性，出現(xiàn)層理等結(jié)構(gòu)弱面，導(dǎo)致厚度較大的沉積巖頂板某種程度上具有煤系地層復(fù)合頂板的工程地質(zhì)特性：各分層都具有一定的抗剪、抗壓和抗拉強(qiáng)度，而各層之間黏結(jié)力較弱。

筆者在前人研究基礎(chǔ)之上，考慮沉積巖層固有的層狀特征，通過建立煤系巷道頂板疊加梁力學(xué)模型，研究了錨桿(索)對(duì)頂板的主動(dòng)支護(hù)與強(qiáng)化作用；提出了“有效錨固”狀態(tài)與有效錨固層厚度理念，為定量化評(píng)價(jià)支護(hù)方案提供了有益參考。

1 煤系巷道頂板疊加梁力學(xué)分析

煤系巷道疊加梁支護(hù)理論基于頂板梁式特征，考慮層間作用，分析未支護(hù)巖梁失穩(wěn)特征，對(duì)頂板錨固形成的疊加梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析與強(qiáng)化研究，揭示了錨桿對(duì)疊加梁結(jié)構(gòu)的支護(hù)作用機(jī)理，并給出了定量化表征。

1.1 無支護(hù)條件下頂板內(nèi)力分析

煤系巷道頂板在無支護(hù)條件下，承載覆巖應(yīng)力及自重，當(dāng)各層頂板受力平衡且保持穩(wěn)定時(shí)，經(jīng)層間作用自上向下傳遞至頂板最底層巖層，該層將承受垂直應(yīng)力為

(1)

式中，為巷道支護(hù)范圍內(nèi)頂板總層數(shù)；為第層頂板容重，kN/m；為第層頂板厚度，m。

對(duì)煤系巷道頂板底層巖梁(以下簡(jiǎn)稱巖梁)的受力及變形特征進(jìn)行分析，作出如下基本假設(shè)：

(1)巖梁滿足連續(xù)、均勻、各向同性的特征，承受垂直與水平應(yīng)力作用；

(2)巖梁兩端在豎直方向的位移被約束，但端部仍可發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)，可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁。其力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 煤系巷道頂板底層巖梁力學(xué)模型

由圖1可知，巖梁為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其邊界條件為

(2)

式中，為巖梁向下?lián)隙?，m；為巖梁跨度，m。

根據(jù)材料力學(xué)理論，巖梁在垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力共同作用下的彎矩方程()為

(3)

式中，=，為巖梁所受水平應(yīng)力，MPa；為巖梁截面寬度，m；為巖梁厚度，m。

巖梁滿足撓度-彎矩方程：

(4)

式中，為巖梁彈性模量，GPa；為巖梁截面對(duì)于中性軸的慣性矩，m。

由式(3)和(4)可得到巖梁撓度表達(dá)式為

(5)

巖梁各處正應(yīng)力表達(dá)式為

(6)

由式(6)可得到典型巖梁各處應(yīng)力分布。

由圖2可知，巖梁應(yīng)力在跨中達(dá)到峰值，應(yīng)力關(guān)于中軸線對(duì)稱，軸上方部分為壓應(yīng)力區(qū)域，下方為拉應(yīng)力區(qū)域。巖體抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，可判斷巖梁最易失穩(wěn)位置發(fā)生在底邊跨中位置，當(dāng)承載應(yīng)力足夠大時(shí)，將由底邊中點(diǎn)發(fā)生輻射狀失穩(wěn)。結(jié)合式(5)，(6)，分析巖梁厚度對(duì)其穩(wěn)定性影響。

圖2 典型巖梁應(yīng)力分布

由圖3可知，當(dāng)巖梁具有足夠厚度承載應(yīng)力時(shí)，其內(nèi)部不發(fā)生失穩(wěn)；而當(dāng)峰值拉應(yīng)力超出其強(qiáng)度極限時(shí)，巖梁由底部開始發(fā)生失穩(wěn)，厚度逐漸減小，且破壞位置向中性軸靠近。當(dāng)厚度減小至一定程度時(shí)，底層巖梁撓度快速增加，并破壞至完全垮落。同時(shí)，下層頂板離層、破壞使上層頂板在產(chǎn)生底邊自由面后，無充分層間作用保持穩(wěn)定，開始發(fā)生失穩(wěn)，最終導(dǎo)致頂板逐層向上發(fā)生破壞。

圖3 厚度對(duì)巖梁失穩(wěn)位置及撓度值的影響

1.2 煤系巷道頂板疊加梁內(nèi)力分析

基于煤系巷道頂板分層特性，針對(duì)錨桿錨固范圍內(nèi)巖層協(xié)調(diào)變形并共同承載的特性，建立了煤系巷道頂板巖層-錨桿疊加梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。

如圖4所示，疊加梁結(jié)構(gòu)中各層巖梁之間協(xié)調(diào)變形，滿足力學(xué)與變形條件為

圖4 煤系巷道頂板疊加梁力學(xué)模型

(7)

同時(shí)，根據(jù)疊加梁整體承載應(yīng)力特征，可知

(8)

式中，為第層頂板承載的等效垂直應(yīng)力，MPa；為支護(hù)密度根/m下預(yù)緊力為的錨桿對(duì)疊加梁的主動(dòng)支護(hù)，MPa，可表示為

=

(9)

考慮疊加梁內(nèi)層間作用，可知頂、中、底層巖梁承載等效垂直應(yīng)力，，分別表示為

(10)

式中，和分別為頂層與中層巖梁、中層與底層巖梁的層間作用，MPa。

聯(lián)立式(7)～(10)求解可得

(11)

(12)

(13)

式中，中間參數(shù)表示為

(14)

式中，，為第層頂板對(duì)應(yīng)參數(shù)，的取值。

參數(shù)與正相關(guān)，則與巖梁抗彎強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，當(dāng)巖梁抗彎強(qiáng)度大時(shí)，其承載等效應(yīng)力更大。即錨桿支護(hù)所形成的頂板疊加梁結(jié)構(gòu)，能夠充分發(fā)揮各層巖梁的承載能力，優(yōu)化應(yīng)力分配。

以某淺埋深礦井的回采巷道支護(hù)為例，通過計(jì)算頂板各層巖梁的抗彎剛度與等效承載應(yīng)力，分析其頂板疊加梁的應(yīng)力分配效果，其參數(shù)及取值見表1。

表1 案例參數(shù)及取值

如圖5所示，通過錨桿支護(hù)形成的頂板疊加梁，在整體結(jié)構(gòu)承載水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力時(shí)，內(nèi)部3層巖梁因其抗彎剛度不同，各自承載等效應(yīng)力也存在差異，強(qiáng)抗彎性能(6.51 GN·m)的頂層巖梁承載更大的應(yīng)力(5.16 MPa)，弱抗彎性能(0.432 GN·m)的底層巖梁承載較小的應(yīng)力(0.33 MPa)。

圖5 頂板疊加梁各層巖梁等效承載應(yīng)力與抗彎剛度

1.3 錨桿支護(hù)對(duì)頂板疊加梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化分析

錨桿與頂板巖層形成疊加梁結(jié)構(gòu)后，頂板的承載能力將得到一定提升，具體表現(xiàn)為變形特征改變以及力學(xué)強(qiáng)度提高，為定量化描述該作用效果，提出支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化系數(shù)與峰值應(yīng)力折減系數(shù)。

..支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化系數(shù)

在提高強(qiáng)度方面，錨桿支護(hù)后頂板結(jié)構(gòu)的黏聚力和內(nèi)摩擦角均產(chǎn)生一定變化，其中內(nèi)摩擦角變化幅度較小，可忽略不計(jì)。

根據(jù)文獻(xiàn)[26-27]，支護(hù)結(jié)構(gòu)的黏聚力可表示為

=+Δ

(15)

式中，為疊加梁結(jié)構(gòu)黏聚力，MPa；為未支護(hù)頂板巖體黏聚力，MPa；支護(hù)后疊加梁結(jié)構(gòu)黏聚力增量Δ為

(16)

式中，為錨桿屈服強(qiáng)度，MPa；為錨桿截面面積，m；為未支護(hù)頂板內(nèi)摩擦角，(°)。

(17)

式中，為未支護(hù)頂板抗拉強(qiáng)度，MPa。

定義支護(hù)后頂板抗拉強(qiáng)度與原抗拉強(qiáng)度之比為疊加梁支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化系數(shù)，則

(18)

..峰值應(yīng)力折減系數(shù)

因疊加梁結(jié)構(gòu)中錨桿承擔(dān)一定的變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形模量發(fā)生變化，根據(jù)文獻(xiàn)[28]，頂板疊加梁錨固體彈性模量′為

(19)

式中，為錨桿彈性模量，GPa；為未支護(hù)頂板巖層彈性模量，GPa；為錨桿間距，m；為錨桿排距，m。

由于彈性模量的增大，在承擔(dān)相同的外力作用時(shí)，錨固后頂板疊加梁形成的內(nèi)部應(yīng)力小于未錨固頂板。定義支護(hù)后頂板峰值應(yīng)力與原峰值應(yīng)力之比為疊加梁應(yīng)力折減系數(shù)，則

(20)

由式(18)和(20)可知，頂板受到錨桿錨固后其黏聚力和彈性模量得到增加，間接提高了錨固結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度與降低了頂板的峰值應(yīng)力。支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化系數(shù)與峰值應(yīng)力折減系數(shù)的主要影響因素包括錨桿與巖層之間的力學(xué)性質(zhì)差異(彈性模量、黏聚力)，錨桿的支護(hù)相關(guān)參數(shù)(預(yù)緊力、間排距等)。即在一定范圍內(nèi)，頂板與錨桿力學(xué)強(qiáng)度差異越大，錨桿設(shè)計(jì)預(yù)緊力越大、支護(hù)密度越高對(duì)于疊加梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化效果越顯著。

2 有效錨固層厚度的計(jì)算

為進(jìn)一步判斷錨桿(索)何時(shí)才能發(fā)揮其主動(dòng)支護(hù)作用，使頂板達(dá)到“有效錨固”的狀態(tài)，提出有效錨固層厚度作為關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)巷道在不同頂板強(qiáng)度、應(yīng)力環(huán)境以及錨桿參數(shù)等條件下的支護(hù)效果進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)。

2.1 煤系巷道頂板的臨界失穩(wěn)厚度

根據(jù)式(6)可以得到，未支護(hù)頂板巖梁在巷道應(yīng)力作用下，發(fā)生破壞的位置s為

(21)

式中，為第層頂板巖梁截面對(duì)于中性軸的慣性矩，m；t為第層未支護(hù)頂板巖梁抗拉強(qiáng)度，MPa；n為第層頂板所承載等效垂直應(yīng)力，MPa。

此時(shí)，未支護(hù)范圍頂板各層巖梁破壞總厚度為

(22)

在回采巷道全生命周期中，其頂板將承載不同類型的應(yīng)力，其中超前支承壓力作用階段應(yīng)力量級(jí)最大，此階段巷道頂板所承載垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力可表示為

(23)

式中，為應(yīng)力集中系數(shù)；為側(cè)壓系數(shù)；為巷道所承載初始垂直應(yīng)力，MPa。

定義巷道在超前支承壓力作用階段各層未支護(hù)頂板破壞厚度總和為臨界失穩(wěn)厚度。

=|=,=

(24)

2.2 頂板疊加梁結(jié)構(gòu)的有效錨固層厚度

當(dāng)受到錨桿支護(hù)作用時(shí)，巷道頂板得到強(qiáng)化，黏聚力與彈性模量提高，根據(jù)式(18)，(20)，(21)，可得到支護(hù)作用下頂板巖梁破壞的位置r為

(25)

巷道頂板的“有效錨固”狀態(tài)：在錨桿合理支護(hù)作用下，頂板疊加梁承載超前支承壓力的同時(shí)各層巖梁均不發(fā)生失穩(wěn)。定義有效錨固層厚度為錨桿(索)作用后，頂板巖梁得到有效支護(hù)而保持穩(wěn)定的厚度，表示為

(26)

定義為錨固有效性校核函數(shù)：≥0，即頂板疊加梁有效錨固層厚度大于臨界失穩(wěn)厚度時(shí)，錨桿對(duì)頂板支護(hù)有效；<0，頂板疊加梁有效錨固層厚度小于臨界失穩(wěn)厚度時(shí)，支護(hù)效果無法保障巷道在回采階段內(nèi)的穩(wěn)定，頂板將發(fā)生失穩(wěn)。

=-

(27)

2.3 有效錨固層厚度與支護(hù)校核函數(shù)影響因素

為探究在不同條件下進(jìn)行煤系巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，以表 1中案例為基礎(chǔ)，探討巷道應(yīng)力環(huán)境、頂板力學(xué)性質(zhì)、錨桿強(qiáng)度以及支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)等因素對(duì)有效錨固層厚度以及錨固有效性校核函數(shù)的影響。

由圖6可知，應(yīng)力集中系數(shù)增加對(duì)于錨固效果的削弱明顯，隨應(yīng)力集中系數(shù)的增加，有效錨固層厚度遞減，同時(shí)臨界失穩(wěn)厚度增大，導(dǎo)致支護(hù)有效性校核函數(shù)逐漸趨于負(fù)值，并且當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)超過1.7時(shí)，校核函數(shù)值小于0，此時(shí)當(dāng)前支護(hù)將無法維持巷道穩(wěn)定，需加強(qiáng)支護(hù)或采取卸壓方法，維持巷道穩(wěn)定。

圖6 應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)有效錨固層厚度與校核函數(shù)的影響

以巷道底層頂板的厚度與彈性模量作為研究對(duì)象，分析頂板力學(xué)性質(zhì)對(duì)有效錨固層厚度與支護(hù)校核函數(shù)的影響。

由圖7可知，當(dāng)?shù)讓禹敯宓膹椥阅Ａ吭黾訒r(shí)，有效錨固層厚度與支護(hù)校核函數(shù)均小幅增加，且后者增量(0.107 m)高于前者(0.045 m)，表明提高巖層彈性模量，既能夠增強(qiáng)巖層自穩(wěn)性，又能促進(jìn)錨桿對(duì)頂板的強(qiáng)化效果。因此，通過采取相關(guān)措施加固頂板，增加其彈性模量，有利于提高支護(hù)效果。

圖7 底層頂板彈性模量對(duì)有效錨固層厚度與校核函數(shù)的影響

由圖8可知，底層頂板的厚度增加時(shí)，有效錨固層厚度與校核函數(shù)值快速增大，增量分別為0.699 m與0.527 m。表明厚度對(duì)于頂板強(qiáng)度影響大于彈性模量，主要原因?yàn)轫敯宓目箯潉偠扰c厚度呈3次正相關(guān)，而與彈性模量?jī)H呈一次正相關(guān)。因此，巷道施工過程中，采取相關(guān)措施保持頂板完整性，有利于提高其抗彎性與穩(wěn)定性。

圖8 底層頂板厚度對(duì)有效錨固層厚度與校核函數(shù)的影響

由圖9可知，錨桿的材料強(qiáng)度與支護(hù)參數(shù)對(duì)有效錨固層厚度的影響均呈類線性正相關(guān)的特點(diǎn)，同時(shí)預(yù)緊力與錨桿強(qiáng)度的影響高于支護(hù)密度，在較高支護(hù)密度(3根/m)下選擇較低屈服強(qiáng)度(300 MPa)與預(yù)緊力(50 kN)的錨桿所能達(dá)到的有效錨固層厚度遠(yuǎn)小于較低支護(hù)密度(1.4根/m)下選擇較高屈服強(qiáng)度(500 MPa)與預(yù)緊力(150 kN)的錨桿。

圖9 錨桿支護(hù)密度、屈服強(qiáng)度與預(yù)緊力對(duì)有效錨固層厚度的影響

因此，在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)際支護(hù)條件與支護(hù)需求，合理確定錨桿預(yù)緊力、錨桿強(qiáng)度與支護(hù)密度搭配，更有利于實(shí)現(xiàn)頂板的有效錨固，維持巷道穩(wěn)定。

3 基于巷道頂板疊加梁理論的有效錨固層厚度計(jì)算及應(yīng)用

本文詳細(xì)論證了煤系巷道頂板疊加梁支護(hù)理論，并以該理論為指導(dǎo)，成功應(yīng)用于不同開采技術(shù)條件下的多條巷道支護(hù)。以皖北煤電集團(tuán)任樓煤礦近距離煤層Ⅱ724S工作面回風(fēng)巷為例，利用煤系頂板疊加梁理論指導(dǎo)了該巷頂板支護(hù)設(shè)計(jì)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了成功應(yīng)用。

3.1 工程地質(zhì)條件

Ⅱ724S工作面與上覆7采空區(qū)的層間巖層厚度變化幅度較大，層間距1.7～13.5 m，平均6.0 m；7與7煤為II類自燃煤層，層間巖層主要為泥巖；該工作面內(nèi)斷層發(fā)育，受斷層影響巷道層理紊亂，尤其當(dāng)相鄰煤層間距較小時(shí)，下伏煤層頂板巖層裂隙發(fā)育、完整性較差，易發(fā)生采空區(qū)漏風(fēng)遺煤自燃及頂板失穩(wěn)事故，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定控制及安全生產(chǎn)造成不利影響。

Ⅱ724S工作面空間位置關(guān)系如圖10所示，圖中數(shù)字①～④表示工作面采掘順序。

圖10 Ⅱ7324S工作面空間位置關(guān)系

如圖11所示，根據(jù)任樓煤礦Ⅱ724S工作面工程地質(zhì)特征，并結(jié)合頂板巖層圍巖結(jié)構(gòu)鉆孔探測(cè)結(jié)果，基于“有效錨固層厚度”在巷道支護(hù)中的關(guān)鍵作用，提出在Ⅱ724S工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間采用分區(qū)域差異化巷道支護(hù)形式，依據(jù)煤層間距劃分為3個(gè)區(qū)域：① 區(qū)域Ⅰ，煤層間距大于6 m；② 區(qū)域Ⅱ，煤層間距在4 ～6 m；③ 區(qū)域Ⅲ，煤層間距在2～4 m。

圖11 Ⅱ7324S工作面風(fēng)巷掘進(jìn)期間頂板分區(qū)

3.2 基于有效錨固層厚度計(jì)算的頂板支護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)Ⅱ724S工作面巷道頂板巖層賦存特征，通過式(26)和(27)可計(jì)算得到該頂板形成疊加梁，處于“有效錨固”狀態(tài)時(shí)，須達(dá)到的最小有效錨固層厚度。并以此為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)該頂板分區(qū)特點(diǎn)，對(duì)不同支護(hù)形式下有效錨固厚度進(jìn)行分析和計(jì)算，為支護(hù)方案設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，開發(fā)了相關(guān)計(jì)算軟件輔助設(shè)計(jì)，軟件界面如圖12所示。該軟件可根據(jù)所錄入巷道應(yīng)力環(huán)境及頂板力學(xué)條件等參數(shù)，計(jì)算臨界失穩(wěn)厚度，結(jié)合相關(guān)支護(hù)參數(shù)求解有效錨固層厚度，并評(píng)價(jià)、校核支護(hù)方案是否滿足需求。

圖12 煤系巷道頂板疊加梁支護(hù)設(shè)計(jì)軟件界面

通過軟件計(jì)算，區(qū)域Ⅰ頂板臨界失穩(wěn)厚度為2.52 m；區(qū)域Ⅱ頂板臨界失穩(wěn)厚度為2.21 m；區(qū)域Ⅲ頂板臨界失穩(wěn)厚度為1.47 m。

3.3 Ⅱ7324S工作面回風(fēng)巷支護(hù)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)任樓煤礦不同層間距下伏煤層回采巷道圍巖控制問題，為滿足各區(qū)域頂板有效錨固層厚度大于所計(jì)算臨界失穩(wěn)厚度的條件，設(shè)計(jì)了Ⅱ724S工作面回風(fēng)巷道支護(hù)技術(shù)參數(shù)。其支護(hù)方案如圖13所示。

圖13 II7324S工作面風(fēng)巷支護(hù)方案

..區(qū)域Ⅰ巷道支護(hù)參數(shù)

(1)支護(hù)材料。頂板布置6根22 mm×2 600 mm左旋螺紋鋼錨桿、3根21.8 mm×6 300 mm(1×19股)錨索，幫部布置4根20 mm×2 400 mm右旋螺紋鋼錨桿，配套高強(qiáng)度螺母(鎖具)、托盤、鋼筋網(wǎng)、W型鋼帶以及樹脂藥卷。

(2)支護(hù)參數(shù)。錨桿間排距為800 mm×800 mm；錨索間排距為1 200 mm×800 mm；頂板及幫部錨桿預(yù)緊扭矩分別不小于300 N·m和200 N·m；錨索張拉力為230 kN。

(3)有效錨固層厚度計(jì)算。通過軟件計(jì)算，區(qū)域Ⅰ有效錨固層厚度為3.13 m，校核函數(shù)=3.13-2.52>0，滿足支護(hù)需求。

..區(qū)域Ⅱ巷道支護(hù)參數(shù)

(1)支護(hù)材料與支護(hù)參數(shù)。巷道頂板采用全錨索支護(hù)，將區(qū)域Ⅰ巷道頂板錨索改用21.8 mm×6 300 mm中孔注漿錨索，頂板錨桿改用21.8 mm×3 500 mm中孔注漿錨索，短注漿錨索張拉力為220 kN，長(zhǎng)注漿錨索張拉力為200 kN；其余幫部支護(hù)參數(shù)不變。注漿材料：短注漿錨索采用久米納無機(jī)充填加固材料KWJG-3，漿液較稠似漿糊，實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)錨固；長(zhǎng)注漿錨索采用久米納無機(jī)充填加固材料KWJG-1，漿液相對(duì)較稀易擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)人工造頂。

(2)有效錨固層厚度計(jì)算。通過軟件計(jì)算，區(qū)域Ⅱ有效錨固層厚度為2.76 m，校核函數(shù)=2.76-2.21>0，滿足支護(hù)需求。

..區(qū)域Ⅲ巷道支護(hù)參數(shù)

(1)支護(hù)材料與支護(hù)參數(shù)。巷道頂板采用“多層位全長(zhǎng)錨注”加固支護(hù)，依據(jù)頂板不同層位巖層圍巖強(qiáng)度及裂隙發(fā)育情況，頂板采用短、中長(zhǎng)及長(zhǎng)注漿錨索的全錨索支護(hù)，短錨索每排6根21.8 mm×3 500 mm中孔注漿錨索，間排距為800 mm×800 mm；中長(zhǎng)錨索每排3根21.8 mm×5 300 mm中孔注漿錨索，長(zhǎng)錨索每排2根21.8 mm×6 300 mm中孔注漿錨索，中長(zhǎng)及長(zhǎng)注漿錨索間排距為1 600 mm×800 mm；中長(zhǎng)、短注漿錨索張拉力為180 kN，長(zhǎng)注漿錨索張拉力為160 kN；中長(zhǎng)注漿錨索采用KWJG-3加固材料，其余幫部支護(hù)參數(shù)不變。

(2)超前注漿。在巷道掘進(jìn)工作面前方與頂板夾角45°仰角施工打20 mm×7 000 mm注漿孔，每排5個(gè)孔，注漿材料為A,B雙組份速凝無機(jī)加固KWJG-4材料，注漿壓力4 MPa，以實(shí)現(xiàn)預(yù)先穩(wěn)固開挖工作面的目的。

(3)超前護(hù)頂。頂板松軟破碎時(shí)打設(shè)管縫錨桿超前護(hù)頂，在迎頭前方與頂板仰角5°～10°施工打鉆孔，將43 mm×3 000 mm管縫錨桿砸入孔內(nèi)，間排距400 mm×800 mm。

(4)有效錨固層厚度計(jì)算。通過軟件計(jì)算，區(qū)域Ⅲ有效錨固層厚度為1.54 m，校核函數(shù)=1.54-1.47>0，滿足支護(hù)需求。

3.4 巷道礦壓顯現(xiàn)特征

為檢驗(yàn)回風(fēng)巷支護(hù)效果，在3個(gè)區(qū)域巷道地段分別布置測(cè)站，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括巷道圍巖相對(duì)移近量、錨桿(索)受力及圍巖裂隙發(fā)展發(fā)育規(guī)律。

如圖14所示，在巷道掘進(jìn)期間區(qū)域Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ巷道兩幫相對(duì)最大移近量分別為169 ，152和196 mm，頂?shù)装逑鄬?duì)最大移近量分別為74，91和105 mm。由前述設(shè)計(jì)參數(shù)可知，區(qū)域Ⅰ和Ⅱ設(shè)計(jì)錨索拉拔力分別為230和200 kN，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中張拉機(jī)具均能達(dá)到該設(shè)計(jì)值，但由于鉆孔施工角度等因素影響，液壓枕實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均小于張拉機(jī)具輸出值；區(qū)域Ⅰ和Ⅱ巷道錨索初始預(yù)緊力均在150 kN以上且隨圍巖變形具有增加趨勢(shì)，表明錨索支護(hù)范圍內(nèi)巖層錨固有力，錨索受力范圍在150～240 kN，有效發(fā)揮了錨索的支護(hù)作用；區(qū)域Ⅲ巷道注漿錨索錨固在具有一定膠結(jié)程度的采空區(qū)內(nèi)，初始預(yù)緊力在120 kN以上，在錨索設(shè)計(jì)合理范圍內(nèi)。

圖14 區(qū)域Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ巷道錨桿(索)受力、圍巖變形及裂隙變化

從頂板圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律可知，區(qū)域Ⅰ巷道支護(hù)方案能有效控制錨固區(qū)內(nèi)圍巖離層及裂隙發(fā)育，保證了錨固區(qū)內(nèi)頂板圍巖強(qiáng)度及完整性；區(qū)域Ⅱ和Ⅲ巷道圍巖裂隙發(fā)育地段注漿效果較好，漿液較好地充填在圍巖裂隙中且膠結(jié)性良好，而采空區(qū)內(nèi)巖層較破碎，超前預(yù)注漿加固使?jié){液注入到破碎巖體內(nèi)，通過擠壓、充填、膠結(jié)及封堵的作用，形成強(qiáng)度高、抗?jié)B透性好及穩(wěn)定性強(qiáng)的再生巖體，頂板的完整性與彈性模量增大，有效錨固層厚度增大，極大地減少錨桿(索)失錨現(xiàn)象，改善了圍巖結(jié)構(gòu)，提高了圍巖強(qiáng)度，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力，保障了巷道圍巖穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)煤系沉積巖層狀賦存特征，對(duì)頂板底層巖梁進(jìn)行力學(xué)分析，確定了煤系巷道頂板失穩(wěn)形式，并通過建立疊加梁力學(xué)模型，求解出該結(jié)構(gòu)中內(nèi)力分布特征，分析得到了錨桿(索)對(duì)疊加梁結(jié)構(gòu)的支護(hù)作用機(jī)理，即優(yōu)化不同抗彎剛度條件下各層頂板的承載應(yīng)力分配，充分發(fā)揮各巖層力學(xué)承載性能，控制頂板的整體下沉，同時(shí)提高疊加梁的黏聚力及變形模量，間接強(qiáng)化整體錨固結(jié)構(gòu)的力學(xué)承載強(qiáng)度。

(2)提出了“有效錨固”狀態(tài)與有效錨固層厚度的理念，并建立了以有效錨固層厚度及支護(hù)有效性校核函數(shù)為關(guān)鍵指標(biāo)的頂板疊加梁支護(hù)理論，為不同支護(hù)條件下的支護(hù)方案對(duì)比提供了定量化參考?；诎咐治隽藨?yīng)力集中系數(shù)、頂板力學(xué)性質(zhì)以及錨桿支護(hù)密度、屈服強(qiáng)度、預(yù)緊力等參數(shù)對(duì)于有效錨固層厚度的影響。

(3)基于煤系巷道頂板疊加梁支護(hù)理論，以皖北煤電集團(tuán)任樓煤礦Ⅱ724S工作面回風(fēng)巷為工程背景，對(duì)其在近距離煤層、采空區(qū)下伏成巷條件下進(jìn)行了頂板支護(hù)設(shè)計(jì)，根據(jù)層間距在>6，4～6以及2～4 m的3種不同范圍，將該巷道劃分為3個(gè)區(qū)域，通過頂板疊加梁結(jié)構(gòu)性分析與有效錨固層厚度計(jì)算，分別確定了在不同巷道區(qū)域內(nèi)使用2.6 m錨桿，3.5，5.3以及6.3 m長(zhǎng)度的注漿錨索組合方案對(duì)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)驗(yàn)證了該支護(hù)方案的合理性與有效性。

(4)相對(duì)于目前已有的錨桿支護(hù)理論，疊加梁支護(hù)理論能夠?yàn)槊合迪锏理敯宓闹ёo(hù)設(shè)計(jì)提供定量化參考，但仍存在一定的局限性。一方面，該理論以頂板梁式特征為基礎(chǔ)，以巖體抗拉強(qiáng)度為判斷準(zhǔn)則，對(duì)于賦存狀態(tài)為非均一巖梁或存在較多剪切弱面的頂板適用性有限；另一方面錨桿對(duì)頂板強(qiáng)化系數(shù)的確定比較理想化，將錨桿對(duì)巖體作用簡(jiǎn)化為主動(dòng)支護(hù)力，對(duì)其內(nèi)部支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)研究不充分。該理論后期完善重點(diǎn)在于：豐富其工程適用性，對(duì)于復(fù)雜條件頂板建立強(qiáng)度等效機(jī)制，依據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證支護(hù)強(qiáng)化系數(shù)，并考慮支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)疊加梁支護(hù)效果影響。