煤礦頂板支護技術的研究與設計

楊 波

(山西潞安集團 蒲縣常興煤業有限公司生產部，山西 長治 041200)

1 引言

頂板支護作為直接影響煤礦企業勞動安全和生產順暢的關鍵因素，在實際的支護形式選擇和設計計算方面有著較高的要求。基本原則是既要能產生良好的支護效果和具備較高的自動防御能力，又能夠保證施工流程與工藝的簡化與便捷，只有這樣才能保證頂板支護應用的過程中滿足安全和經濟兩個目標。下面就常見的支護形式進行簡單的介紹。

2 煤礦頂板支護形式

2.1 基本支護

基本支護包括木材支架、石材支架和型鋼支架等三種，其中木材支架的優點在于能夠適應多變的地下作業條件且質量較輕、架設方便，但是缺點在于強度較低、容易腐蝕和不能防火。石材支架是由砂漿與石材一同砌制而成的連續型支架，其優點在于可以就地取材且來源廣泛，在實際的支護中不僅具備較好的強度，同時還可以有效的阻止圍巖風化。型鋼支架在我國煤礦中的應用主要包括工字鋼和U 型鋼兩種，圍巖變形量較大或巷道位于斷層破碎帶處對該支架的應用較多。

2.2 強化支護

頂板的強化支護按照使用時間的長短可以分為永久性支護和臨時性支護兩種，其中臨時性加強支護主要是在巷道內的某一點設置一個較為容易安裝和拆移的單體支撐柱，較為常見的是液壓支柱。而永久性的加強支護主要是在巷道原有支護的基礎上通過增加構件的方式來實現強度或穩定性的加強，常用的形式有偏心柱、立柱和中心柱等三種。

2.3 巷道加固

巷道加固主要包括機械加固和注漿加固兩種，其中前者的主要技術操作為夯實，也就是利用機械或者人力將圍巖的松散部分進行整平或壓實，而后者主要是通過向圍巖巖體中注射漿液的方式，而在這一過程中泵漿與圍巖形成了有機的整體并達到了一個較好的應力平衡狀態，使其結構更加穩定，裂縫也能很好的閉合。

2.4 錨桿支護

錨桿支護是將由桿體、錨頭及托板等組成的桿狀結構物錨固在巷道圍巖內，從而增強巖體的整體強度和實現應力的傳遞，根據錨固形式的不同可以將錨桿支護分為粘結式、機械式和摩擦式三種。此外根據錨桿材料的不同，可以分為竹錨桿、木錨桿、混凝土錨桿和金屬錨桿，按照作用特點可以分為被動式錨桿和主動式錨桿等。

其中錨固劑的主要作用是將錨桿與鉆孔的巖石壁進行粘接，金屬網與鋼帶主要是增強圍巖的穩定性，預防巖塊的松動與掉落，托板的主要作用是增大錨桿的工作阻力和為錨桿提供預緊力，錨桿是支護系統中最主要的功能構件，抗壓和抗彎能力較低，抗剪和抗拉能力較強。

3 煤礦頂板錨桿支護設計理論

3.1 懸吊理論

錨桿支護設計的懸吊理論適用于規模較大且頂板上部有較穩定的巖層，直接頂為較軟巖層的情況，如果頂板出現松動破碎區可以通過懸吊錨桿在上部形成自然的平衡拱，在進行基礎理論設計的過程中只需要知道不穩定巖層的重量，便可以計算出錨桿的間排距、直徑、錨固力及長度，圖1 為支護參數計算示意圖。

圖1 支護參數計算示意圖

(1)錨桿長度:L=L1+L2+L3，其中L1為錨桿外露長度，L2為錨桿有效長度，L3為錨桿錨固長度。

(2)錨固力:Q=KL2a1a2γ，其中K 為安全系數，一般取1.5～2，a1和a2為錨桿間排距，γ 為巖層平均重力密度。

3.2 組合梁理論

組合梁理論的適用范圍為采深較淺，頂板巖層結構為較多層的軟巖且沒有明顯的構造應力，在應用的過程中通過錨桿將錨固范圍內的幾個薄巖層進行鎖緊，這樣便可以通過增加巖層間的摩擦力和抗剪剛度來防止層面滑動和水平錯動。其中錨桿提供的主要是切向與軸向約束，在進行設計的過程中只需要計算出必須的承載能力便可以進行錨桿支護參數的確定，具體的力學模型如圖2 所示。

圖2 組合梁力學模型

錨桿長度:L=L1+L2+L3，其中L1為錨桿外露長度，L2為錨桿有效長度即組合巖梁厚度，L3為錨桿錨固長度。

3.3 組合拱理論

組合拱主要適用于拱形巷道圍巖的破裂區，理論研究表明如果沿巷道周邊以足夠小的間距進行錨桿安裝，便可以通過分布在錨桿兩端的圓錐形壓應力交錯形成一個均勻的壓縮帶，而這個壓縮帶又被稱為組合拱或加固拱。由于該支護形式不能夠進行準確的定量設計，所以只需要了解所需的加固拱厚度便可以進行參數的計算，具體的力學模型如下圖3 所示。

圖3 加固拱力學模型

4 煤礦頂板錨桿支護設計

煤礦頂板錨桿支護的設計流程可以分為巷道圍巖地質力學評估、初始設計、井下監測、信息反饋和修正設計等五部分，下面就每一步的具體要求進行深入的分析。

4.1 圍巖地質力學評估

圍巖地質力學評估的主要目的是為初始設計中的圍巖類型確定提供數據和理論支持，在進行評估的過程中主要包括地質構造和圍巖結構，圍巖巖性和強度，環境影響，地應力，采動影響和黏結強度測試等。

4.2 初始設計

在對圍巖地質力學進行初步評估之后，便可以對比圍巖分類表進行類別的確定，并在此基礎上確定出巷道頂板錨桿支護形式和主要參數，具體確定方法如下表1 所示。

表1 煤礦巷道頂板錨桿支護形式與參數選擇表

巷道類別圍巖狀況支護形式 支護參數Ⅴ 極不穩定頂板較完整:錨桿+金屬可縮支架，或增加錨索頂板較破碎:錨桿+網+ 金屬可縮支架，或增加錨索，或加固圍巖底鼓嚴重:錨桿+ 環形可縮支架全長錨固 桿體直徑:18～22mm錨桿長度:2.2～2.6m 排間距:0.6～1.0m

4.3 井下監測

井下監測的主要目的是獲取錨桿和巷道圍巖的各種受力與變形信息，以便分析巷道的安全程度和進行初始設計的修正，選取的基本原則為能夠全面反應巷道圍巖變形情況，錨索與錨桿的分布與受力情況，且操作簡單和便于測取。目前對于監測指標的選擇主要包括錨索與錨桿受力，兩幫相對移近量和頂板離層值等三方面的六個指標，具體分別用A、B、C、D、E、F 表示:

A——錨固區內頂板離層設計值，mm;

B——錨固區外頂板離層設計值，mm;

C——兩幫相對移近量的設計值，mm;

D——全長錨固測力錨桿桿體測點屈服數與桿體測點總數的比值，定為1/3;

E——端錨錨桿的設計錨固力，KN;

F——錨索的設計錨固力，KN;

所有指標的檢測均選在圍巖變形的掘進影響期。

4.4 信息反饋

信息反饋是指將上述監測六個指標的實測值與初始設計中選取的指標值進行對比分析，而對于反饋指標信息的合理性確定不僅直接關系到支護材料使用和成本的大小，同時也是影響巷道整體安全性能的關鍵，如果反饋指標值過于保守就會造成材料的浪費和支護成本的增加，相反則會導致安全性的下降。

4.5 設計修正

無需對初始設計進行修正的標準為A、B、C、D 的實測值均小于等于設計值，而E 與F 分別小于等于設計值的4/5，如果有一個指標不能滿足要求便需要對初始設計進行修正，其中優先修改錨索與錨桿的預緊力。當出現頂板彎曲變形、兩幫移近量增大或者錨桿位置移動等問題時，就應該適當的增加錨索與錨桿的預緊力，目前我國錨桿預緊力的確定范圍一般為材料屈服強度的30～50%。

5 結語

通過以上對煤礦頂板支護形式與原理的簡單介紹，不僅可以清晰的認識到頂板支護對于煤礦生產安全的重要性，同時也更加深刻的認識到想要從根本上避免頂板冒頂事故的發生就要做好支護技術的理論研究和應用設計。雖然目前我國對于頂板錨桿支護技術的應用仍然存在較多的問題和需要改進的方面，但是隨著相關理論研究的深入以及實際設計經驗的增加，一定能夠使頂板支護的質量得到進一步的提升。

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［2］顏景玉、潘永清.淺談過地質構造是采煤工作面頂板支護［J］.山東煤炭科技，2012，(4):228－230.

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