弱粘結復合頂板煤巷錨桿 (索)支護設計方法研究

張 輝 賈后省 馮井龍 陳 濤

(1.河南理工大學能源科學與工程學院，河南省焦作市，454003；2.級翔 (集團)級索煤礦，山東省滕州市，277500)

弱粘結復合頂板巷道主要存在于淺埋煤層，一般圍巖變形量不大，在常規錨桿 (索)承受能力之內，頂板變形控制問題不大，但個別區域仍存在冒頂隱患。煤礦現場巷道支護設計實踐中，大多是從宏觀的角度來研究一個井田、一個煤層的圍巖穩定性，對于煤礦巷道頂板巖性和巖層結構存在的時刻變化缺乏應對的措施與手段，同一條巷道頂板穩定性均為同一類別，均以一個煤層地質綜合柱狀圖的巖層結構為基礎進行一刀切設計并將其結果用于整條巷道或整個盤區，以點代面、以偏概全，支護形式及支護參數選擇難以適應煤巷頂板隨機變化的特點，這樣為杜絕個別區域的冒頂，難免造成地質條件好的地段支護過剩，地質條件不好的地段支護不足。本研究針對該問題提出基于巷道冒頂隱患級別的支護設計方法，以冒頂隱患分級結果為基礎，做到巖變我變，按照頂板巖層實際穩定性級別進行差異化設計，對于礦井支護設計的科學化、保證巷道頂板安全有指導意義。

1 巷道冒頂隱患級別支護設計方法特性

弱粘結復合頂板巷道普遍存在于淺埋煤層地應力環境下，頂板變形通常較小，其頂板特點是頂板層狀特征顯著、各層位頂板之間粘結能力弱。采用傳統工程類比法、松動圈測試法、理論計算法、數值模擬法直接進行支護設計勢必造成支護缺乏科學合理性。巷道冒頂隱患分級是對頂板穩定的綜合評價，以現場提供的地質鉆孔柱狀圖、圍巖物理力學參數為主要依據，對不同煤層、不同區域頂板冒頂隱患進行預測，實現弱粘結復合頂板巷道錨桿(索)支護差異化設計，同時輔助以理論計算支護方法進行冒頂控制設計，實現該種巷道頂板冒頂控制設計的定量計算，這種分區域的差異化支護和冒頂控制設計定量計算是弱粘結復合頂板巷道支護科學合理的關鍵。

2 弱粘結復合頂板巷道冒頂隱患分級

大量研究結果與工程實踐表明，在距離頂板一定范圍內均存在著一層或幾層對上覆巖層局部或直至地表的全部巖層起控制作用的穩定巖層，該穩定巖層可作為支護體懸吊載荷的基點，因此可以將穩定巖層距頂板的距離作為巷道冒頂隱患分級的指標。

2.1 穩定巖層的識別

單層巖層的穩定跨距可以用材料力學方法求得，圖1所示為兩端固支梁的受力分析。

圖1 頂板表層巖層受力分析

已知梁內任意點的拉應力σ為:

式中:σ——梁內任意點的拉應力，MPa；

M——A點在斷面的彎矩，N·m；

y——A點離梁下邊界的距離，m；

Jz——對稱中性軸的斷面距 (取梁為單位寬度)，m3；

h——老頂巖層的單層厚度，m。任意點A的拉應力為:

根據固支梁的計算，最大彎矩發生在梁的兩端，則應滿足條件:

式中:L——梁的跨度，m。

將式 (3)代入式 (2)，可得該處的最大拉應力σmax為:

當巖層在該處的拉應力σmax達到該處的極限抗拉強度RT時，即σmax＝RT時，巖層將在該處拉裂。根據組合梁原理，一直考慮到n層對目標巖層影響時的載荷，即 (qn)x，一般頂板的巖層由好幾層巖層組成。因此，計算頂板巖梁的極限跨距所應考慮載荷的大小須根據各層之間的相互影響來定，由此可得:

式中:(qn)x——巖層上方載荷，kN／m；

E1～En——第1～n層巖層的彈性模量，MPa；

h1～hn——第1～n層巖層的厚度，m；

γ1～γn——第 1～n層 巖 層 的 體 積 力，kN／m3。

根據式 (4)，在不考慮采動影響時，頂板目標巖層的極限跨距為:

式中:Lx——頂板目標巖層的極限跨距，m；

hx——目標巖層的厚度，m；

RT——目標巖層極限抗拉強度，MPa。

大量研究表明，當回采工作面推進時，在回采巷道中引起的采動壓力跟巷道直接頂厚度與采高的比值有關，通常以巷道直接頂厚度與采高的比值代替回采期間回采巷道受采動影響程度。

在受一次采動時采動影響集中系數一般為2.5，在直接頂的厚度為采高的4倍時，采動影響集中系數最小，所以在受一次采動影響時的采動影響系數為:

在受二次采動時采動影響集中系數一般為3.5，在直接頂的厚度為采高的4倍時，采動影響集中系數最小，所以在受二次采動影響時的影響系數為:

式中:h直接頂——直接頂厚度，m；

h采高——采高，m。

考慮采動影響系數與巖體強度影響系數 (巖體強度與巖石強度的比值，一般情況下可取0.65)，結合頂板目標巖層的極限跨距，采動影響條件下可確定淺埋深條件下穩定巖層的跨度判別公式為:

式中:f采——采動影響系數；

f強——強度影響系數；

a——巷道斷面半寬，m。

2.2 巷道冒頂隱患分級

根據式 (9)，對復合巷道頂板由淺至深進行巖層穩定性判別，找出穩定巖層，以穩定巖層與巷道頂板的距離為指標，進行巷道冒頂隱患分級，級別劃分結果如表1所示，各級別巷道冒頂特點與冒頂高度模型如圖2所示。

表1 巷道冒頂隱患分級標準與各級頂板特征

根據李家壕煤礦地質鉆孔資料，對每個地質狀況進行穩定巖層判別分析，根據判別結果，運用suffer成圖軟件繪制出李家壕煤礦2-2中煤巷道頂板冒頂隱患分級圖，見圖3，礦井東北方向以Ⅰ級、Ⅱ級為主，西南方向以Ⅲ級為主，局部存在Ⅳ級頂板。

圖2 不同級別冒頂隱患巷道冒頂特點與冒頂高度模型

圖3 李家壕煤礦2-2中煤巷道冒頂隱患級別劃分結果

3 弱粘結復合頂板巷道支護參數設計

I級、Ⅱ級巷道的穩定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍內，頂板為板狀垮落，應采用懸吊理論進行巷道支護參數設計；Ⅲ級、Ⅳ級巷道的穩定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍以外，頂板成冒落拱結構應采用冒落拱理論進行巷道支護參數設計。

3.1 Ⅰ級、Ⅱ級頂板巷道支護設計方法

Ⅰ級、Ⅱ級巷道的穩定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍內，如圖4(a)所示，頂板為板狀結構，應采用懸吊理論進行巷道支護參數設計。

(1)頂板錨桿 (索)長度。頂板錨桿 (索)長度計算:

式中:l1——錨桿 (索)外露長度，取決于錨桿(索)托盤厚度、螺母厚度，m；

l2——錨桿 (索)有效長度，應該大于等于被懸吊巖層的厚度，m；

l3——錨桿 (索)錨固長度，一般取0.5～1.0m，應由拉拔試驗確定。

圖4 Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級頂板支護設計模型

(2)頂板錨桿 (索)間排距設計。

根據每根錨桿 (索)懸吊載荷大小確定錨桿(索)間距N1和排距N2，即錨桿 (索)懸吊巖石的載荷PV小于等于錨桿 (索)的承載力Q，則考慮安全系數的情況下有:

式中:N1——錨桿 (索)間距，m；

N2——錨桿 (索)排距，m；

γ——懸吊巖石容重，kN／m3；

PV——懸吊巖石的載荷，kN／m；

Q——錨桿 (索)的承載力，kN；

m——安全系數。

3.2 Ⅲ級、Ⅳ級頂板支護參數設計方法

Ⅲ級、Ⅳ級巷道的穩定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍以外，如圖4(b)所示，頂板成冒落拱結構，應采用冒落拱理論進行巷道支護參數設計。

普氏從松散、破裂巖石出發，導得天然拱的高度:

在計算過程中，考慮安全系數，則天然拱高度計算公式為:

式中:h0——天然拱高度，m；

f——巖石普式硬度系數；

b——隧硐半寬或當須考慮側壓力時為滑動楔形上頂之半寬，m；

H——巷道掘進高度，m；

θf——巖 (煤)體的內摩擦角，(°)。

Ⅲ級、Ⅳ級錨桿 (索)長度主要取決于頂板冒落拱高度，必須確保將冒落拱區域內破碎巖石穩定懸吊，其長度主要包括錨桿 (索)外露長度、有效長度、錨固長度，仍同樣由式 (10)得出，巷道每排需要的錨桿 (索)根數為:

根據以上分析，依據式 (10)可分別確定各級別巷道錨桿 (索)長度，根據式 (11)和式 (14)可以分別確定各級別巷道錨桿 (索)支護密度，實際計算時，先是根據施工工藝與巷道寬度確定錨桿(索)間距，隨后計算得出錨桿 (索)排距。當巷道跨度為5m時，根據上述設計和計算方法，頂板采用普通錨桿＋錨索聯合支護形式時，5m跨度條件下弱粘結復合頂板煤巷支護設計參照標準如表2所示，以此為標準，便可以確定不同冒頂隱患級別巷道的具體支護參數。

圖5 試驗巷道表面位移監測結果

4 支護設計實例

根據圖3所示的冒頂隱患分級結果，主要級別是Ⅱ級和Ⅲ級，Ⅰ級和Ⅳ級較少，在現場生產條件允許的情況下，支護設計僅針對Ⅱ級和Ⅲ級，應用表2所示的參照標準對李家壕2-2中煤11211運輸巷進行了錨桿 (索)支護參數設計，支護設計參數見表3。并對巷道進行了表面位移觀測，觀測結果如圖5所示，可以看出，試驗巷道兩側的Ⅱ級頂板下沉量多在40～80mm，距離巷口位置較近的區域局部達到70～100mm，中部Ⅲ級頂板下沉量在60～100mm，巷道總體變形量不大，滿足設計 要求，服務期間未出現冒頂事故。

表2 巷道跨度5m時錨桿 (索)支護參數設計參照標準

表3 試驗巷道錨桿 (索)支護參數設計

5 結論

(1)形成了弱粘結復合頂板巷道冒頂隱患分級方法，將頂板分為4個級別，為不同圍巖條件巷道的差異支護設計提供了理論基礎。

(2)確定了以巷道冒頂隱患分級為基礎的理論計算方法進行錨桿 (索)支護巷道冒頂控制設計。Ⅰ級、Ⅱ級巷道的穩定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍內，頂板為板狀結構，應采用懸吊理論進行巷道支護參數設計；Ⅲ級、Ⅳ級巷道的穩定巖層距巷道頂板的距離在4m范圍以外，頂板成冒落拱結構，應采用冒落拱理論進行巷道支護參數設計。

(3)基于巷道冒頂隱患分級與支護參數設計方法研究，給出了不同頂板級別條件下的頂板錨桿(索)支護參數設計參照標準，現場應用結果良好。

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