煤礦頂板支護(hù)技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)

楊 波

(山西潞安集團(tuán) 蒲縣常興煤業(yè)有限公司生產(chǎn)部，山西 長治 041200)

1 引言

頂板支護(hù)作為直接影響煤礦企業(yè)勞動(dòng)安全和生產(chǎn)順暢的關(guān)鍵因素，在實(shí)際的支護(hù)形式選擇和設(shè)計(jì)計(jì)算方面有著較高的要求。基本原則是既要能產(chǎn)生良好的支護(hù)效果和具備較高的自動(dòng)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(hù)應(yīng)用的過程中滿足安全和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)目標(biāo)。下面就常見的支護(hù)形式進(jìn)行簡單的介紹。

2 煤礦頂板支護(hù)形式

2.1 基本支護(hù)

基本支護(hù)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(yōu)點(diǎn)在于能夠適應(yīng)多變的地下作業(yè)條件且質(zhì)量較輕、架設(shè)方便，但是缺點(diǎn)在于強(qiáng)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(xù)型支架，其優(yōu)點(diǎn)在于可以就地取材且來源廣泛，在實(shí)際的支護(hù)中不僅具備較好的強(qiáng)度，同時(shí)還可以有效的阻止圍巖風(fēng)化。型鋼支架在我國煤礦中的應(yīng)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(duì)該支架的應(yīng)用較多。

2.2 強(qiáng)化支護(hù)

頂板的強(qiáng)化支護(hù)按照使用時(shí)間的長短可以分為永久性支護(hù)和臨時(shí)性支護(hù)兩種，其中臨時(shí)性加強(qiáng)支護(hù)主要是在巷道內(nèi)的某一點(diǎn)設(shè)置一個(gè)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(qiáng)支護(hù)主要是在巷道原有支護(hù)的基礎(chǔ)上通過增加構(gòu)件的方式來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度或穩(wěn)定性的加強(qiáng)，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(jī)械加固和注漿加固兩種，其中前者的主要技術(shù)操作為夯實(shí)，也就是利用機(jī)械或者人力將圍巖的松散部分進(jìn)行整平或壓實(shí)，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(jī)的整體并達(dá)到了一個(gè)較好的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，裂縫也能很好的閉合。

2.4 錨桿支護(hù)

錨桿支護(hù)是將由桿體、錨頭及托板等組成的桿狀結(jié)構(gòu)物錨固在巷道圍巖內(nèi)，從而增強(qiáng)巖體的整體強(qiáng)度和實(shí)現(xiàn)應(yīng)力的傳遞，根據(jù)錨固形式的不同可以將錨桿支護(hù)分為粘結(jié)式、機(jī)械式和摩擦式三種。此外根據(jù)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(diǎn)可以分為被動(dòng)式錨桿和主動(dòng)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(jìn)行粘接，金屬網(wǎng)與鋼帶主要是增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，預(yù)防巖塊的松動(dòng)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(yù)緊力，錨桿是支護(hù)系統(tǒng)中最主要的功能構(gòu)件，抗壓和抗彎能力較低，抗剪和抗拉能力較強(qiáng)。

3 煤礦頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)理論

3.1 懸吊理論

錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)的懸吊理論適用于規(guī)模較大且頂板上部有較穩(wěn)定的巖層，直接頂為較軟巖層的情況，如果頂板出現(xiàn)松動(dòng)破碎區(qū)可以通過懸吊錨桿在上部形成自然的平衡拱，在進(jìn)行基礎(chǔ)理論設(shè)計(jì)的過程中只需要知道不穩(wěn)定巖層的重量，便可以計(jì)算出錨桿的間排距、直徑、錨固力及長度，圖1 為支護(hù)參數(shù)計(jì)算示意圖。

圖1 支護(hù)參數(shù)計(jì)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(shù)，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(jié)構(gòu)為較多層的軟巖且沒有明顯的構(gòu)造應(yīng)力，在應(yīng)用的過程中通過錨桿將錨固范圍內(nèi)的幾個(gè)薄巖層進(jìn)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(dòng)和水平錯(cuò)動(dòng)。其中錨桿提供的主要是切向與軸向約束，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中只需要計(jì)算出必須的承載能力便可以進(jìn)行錨桿支護(hù)參數(shù)的確定，具體的力學(xué)模型如圖2 所示。

圖2 組合梁力學(xué)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(qū)，理論研究表明如果沿巷道周邊以足夠小的間距進(jìn)行錨桿安裝，便可以通過分布在錨桿兩端的圓錐形壓應(yīng)力交錯(cuò)形成一個(gè)均勻的壓縮帶，而這個(gè)壓縮帶又被稱為組合拱或加固拱。由于該支護(hù)形式不能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的定量設(shè)計(jì)，所以只需要了解所需的加固拱厚度便可以進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算，具體的力學(xué)模型如下圖3 所示。

圖3 加固拱力學(xué)模型

4 煤礦頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

煤礦頂板錨桿支護(hù)的設(shè)計(jì)流程可以分為巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、初始設(shè)計(jì)、井下監(jiān)測、信息反饋和修正設(shè)計(jì)等五部分，下面就每一步的具體要求進(jìn)行深入的分析。

4.1 圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估的主要目的是為初始設(shè)計(jì)中的圍巖類型確定提供數(shù)據(jù)和理論支持，在進(jìn)行評(píng)估的過程中主要包括地質(zhì)構(gòu)造和圍巖結(jié)構(gòu)，圍巖巖性和強(qiáng)度，環(huán)境影響，地應(yīng)力，采動(dòng)影響和黏結(jié)強(qiáng)度測試等。

4.2 初始設(shè)計(jì)

在對(duì)圍巖地質(zhì)力學(xué)進(jìn)行初步評(píng)估之后，便可以對(duì)比圍巖分類表進(jìn)行類別的確定，并在此基礎(chǔ)上確定出巷道頂板錨桿支護(hù)形式和主要參數(shù)，具體確定方法如下表1 所示。

表1 煤礦巷道頂板錨桿支護(hù)形式與參數(shù)選擇表

巷道類別圍巖狀況支護(hù)形式 支護(hù)參數(shù)Ⅴ 極不穩(wěn)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(wǎng)+ 金屬可縮支架，或增加錨索，或加固圍巖底鼓嚴(yán)重:錨桿+ 環(huán)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(jiān)測

井下監(jiān)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(jìn)行初始設(shè)計(jì)的修正，選取的基本原則為能夠全面反應(yīng)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(duì)于監(jiān)測指標(biāo)的選擇主要包括錨索與錨桿受力，兩幫相對(duì)移近量和頂板離層值等三方面的六個(gè)指標(biāo)，具體分別用A、B、C、D、E、F 表示:

A——錨固區(qū)內(nèi)頂板離層設(shè)計(jì)值，mm;

B——錨固區(qū)外頂板離層設(shè)計(jì)值，mm;

C——兩幫相對(duì)移近量的設(shè)計(jì)值，mm;

D——全長錨固測力錨桿桿體測點(diǎn)屈服數(shù)與桿體測點(diǎn)總數(shù)的比值，定為1/3;

E——端錨錨桿的設(shè)計(jì)錨固力，KN;

F——錨索的設(shè)計(jì)錨固力，KN;

所有指標(biāo)的檢測均選在圍巖變形的掘進(jìn)影響期。

4.4 信息反饋

信息反饋是指將上述監(jiān)測六個(gè)指標(biāo)的實(shí)測值與初始設(shè)計(jì)中選取的指標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比分析，而對(duì)于反饋指標(biāo)信息的合理性確定不僅直接關(guān)系到支護(hù)材料使用和成本的大小，同時(shí)也是影響巷道整體安全性能的關(guān)鍵，如果反饋指標(biāo)值過于保守就會(huì)造成材料的浪費(fèi)和支護(hù)成本的增加，相反則會(huì)導(dǎo)致安全性的下降。

4.5 設(shè)計(jì)修正

無需對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行修正的標(biāo)準(zhǔn)為A、B、C、D 的實(shí)測值均小于等于設(shè)計(jì)值，而E 與F 分別小于等于設(shè)計(jì)值的4/5，如果有一個(gè)指標(biāo)不能滿足要求便需要對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，其中優(yōu)先修改錨索與錨桿的預(yù)緊力。當(dāng)出現(xiàn)頂板彎曲變形、兩幫移近量增大或者錨桿位置移動(dòng)等問題時(shí)，就應(yīng)該適當(dāng)?shù)脑黾渝^索與錨桿的預(yù)緊力，目前我國錨桿預(yù)緊力的確定范圍一般為材料屈服強(qiáng)度的30～50%。

5 結(jié)語

通過以上對(duì)煤礦頂板支護(hù)形式與原理的簡單介紹，不僅可以清晰的認(rèn)識(shí)到頂板支護(hù)對(duì)于煤礦生產(chǎn)安全的重要性，同時(shí)也更加深刻的認(rèn)識(shí)到想要從根本上避免頂板冒頂事故的發(fā)生就要做好支護(hù)技術(shù)的理論研究和應(yīng)用設(shè)計(jì)。雖然目前我國對(duì)于頂板錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用仍然存在較多的問題和需要改進(jìn)的方面，但是隨著相關(guān)理論研究的深入以及實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的增加，一定能夠使頂板支護(hù)的質(zhì)量得到進(jìn)一步的提升。

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