受動壓影響大斷面煤巷支護技術應用研究

武飛飛

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

馬蘭礦的18506綜采工作面開采的煤層為石炭系太原組8號煤層，屬于穩定可采厚煤層，結構復雜，中部和中下部均有夾矸，煤層厚度3.80～4.80m，平均為4.5m，煤層頂底板特征見表1。工作面位于南五下組煤采區左翼，西北側18504工作面正在回采，截至2018年1月10日工作面回采至皮帶巷362m。工作面節理較發育，走向為北北東和北北西向，斷層密度2-11條/10m，對回采有一定影響。

表1 頂底板特征表

18506和18504工作面為大采高一次采全高綜采工作面，準備巷道的高度等于煤層厚度，18506工作面與正在回采的18504工作面相鄰，正在掘進階段的18506工作面的運輸順槽變形嚴重，巷道頂板下沉劇烈、煤幫內擠變形劇烈、頂板錨索破斷率高，時有冒頂事故的發生，已經嚴重影響工作面的正常生產，需定期進行維護耗費了大量的人力、物力，現階段為18506工作面的準備階段，依據該礦的具體地質條件，對18506運輸順槽支護進行設計研究，選取合理巷道支護的工藝和方法，保證工作面的正常生產。

2 巷道層狀頂板失穩機理

通常情況下用于地下資源采掘的巷道，其長度遠遠與其巷道寬度，我們可以忽略其長度的影響，將其簡化為平面的問題，巷道兩幫對上部巖層起支撐作用，上覆巖層在形成期間就是層狀的堆積結果，我們將頂板簡化為梁來分析其穩定性。由于巷道頂板為巖層，而兩幫為煤體，巖層的硬度及完整性均大于煤層，因此在頂板與煤壁接觸處可以簡化為兩端簡支的縱橫彎曲梁，頂板上部巖層對于頂板的壓力作用簡化為均布載荷q，巷道兩側的實體煤巖體對于頂板水平方向的擠壓作用簡化為水平方向的一對平衡力，當頂板較厚時，水平方向的力對于其變形量的影響并不大，而對于層理發育良好的頂板巖層，離層為較薄的分層頂板，水平方向的擠壓力就會很大程度上影響著頂板的彎曲程度。對于頂板巖層受力簡化為如圖1所示的力學模型，根據材料力學的相關知識進行穩定性分析[1]：

梁內任意一點的彎矩和撓曲的微分方程為：

圖1 巷道頂板受力模型

式中：M-頂板巖梁彎矩；E-彈性模量；ω-撓度；I-慣性矩。

假設：

則有：

由力學模型可知，梁的兩端為實體煤巖體，其撓度為零，即梁兩端的邊界條件為：

將上述邊界條件帶入式（3）可得：

將式（6）帶入式（3）即可得到任意一點的撓度解析式：

根據材料力學的知識以及經驗可知頂板中部的撓度（下沉量）最大：

通過對于頂板巖層的受力分析可知，巷道頂板最易發生變形破斷的為頂板的中間區域，當各個巖層的變形量不協調時就易發生頂板的離層，而且兩側為比較軟弱的煤體，巷道頂板的下沉量會較大，在進行支護設計時應當盡量避免頂板的離層，增強其整體性。

3 錨桿錨索對層狀頂板結構面的加固作用

1）組合梁理論。組合梁理論認為，巷道頂板有多個巖層，可以看作是一種以道路兩側為支點的梁。錨桿用于將層結合成整體的組合梁，以防止巖石沿著層滑動并避免層的分離。在上覆載荷作用下，該厚復合梁的最大彎曲應變和應力將大大減小，并且偏轉也將減小。根據組合梁理論建立如圖2所示的受力模型，在未進行錨桿支護時，巷道頂板巖層為單獨的層狀薄板，在豎直方向上的應力及水平力的作用下發生彎曲變形，并且存在著水平方向上的相互錯動，頂板下沉量會較大，如（a）所示；而經過錨桿支護后將頂板巖層的軟弱結構面進行加固，將頂板巖層聯結為一個更為完整的梁，根據材料力學的知識，其彎曲變形在同等受力條件下會大大減少[2]。

圖2 組合梁結構示意圖

2）懸吊理論。錨的懸吊作用是在上部穩定巖層中懸掛巷道頂部的不穩定巖層，主要用于層狀巖體中。通過彎曲，變形和老頂分離的直接頂部錨固件懸掛在關鍵層，減少和限制了直接頂板的下沉量和分離，達到維護頂板穩定以及支撐的目的;如果巷道上部巖層中的淺部巖層軟弱破碎，在巷道開挖導致地應力二次分布，老頂上方形成破裂帶，此時，利用錨桿的懸掛功能將破碎巖體的一部分懸掛在上部未松散堅硬巖體上。

綜上所述，錨桿和錨索對層狀頂板結構面的加固作用主要體現在以下幾個方面：

1）錨桿錨索安裝時施加高預應力，使頂板巖層間的層理裂隙閉合，錨桿和圍巖形成一個整體，我們進行巷道圍巖穩定分析時應將其看作一個整體，即錨固體。

2）錨桿的安裝改善了巷道圍巖的力學性能，使圍巖的峰值強度、峰值后強度和殘余強度得到提高;

3）與普通斷裂巖體相比，錨固體破壞前后的力學性能得到了改善。因此在巷道失穩形變過程中錨桿一直沒有喪失其功能。

4 大斷面煤巷層狀頂板多層次支護技術

為了有效的避免18506工作面運輸順槽頂板巖層離層，巷道變形量過大，結合著錨桿支護的組合梁理論、懸吊理論對大斷面煤巷層狀頂板的穩定性控制進行設計研究，主要的目的是，增強巷道頂板的連續性，避免頂板巖層之間的相互錯動，加強巷道頂角處變形的治理，減少巷道的整體變形量。設計的錨桿、錨索支護體系主要的原則為“長短結合、強弱結合、疏密結合”，根據馬蘭礦18506工作面回采巷道頂板的具體條件：頂板跨度大、層間粘結性不強、層間含有較多軟弱夾層等，設計應用以長錨桿、短錨索和長錨索為主體結構的支護體系，來提高圍巖的整體性，有效地降低由于巷道開挖對于頂板的破壞[3]。

1）長錨桿；錨桿長度為2.8到3.2m之間，錨桿長度必須大于極易冒頂的非穩定層邊界，采用全長錨固，盡可能的將層狀頂板聯結為一個整體，避免巖層間的錯動，根據18506運輸順槽跨度較大、頂板分層較多并且非常薄，必須利用錨桿提供的預緊力在淺部頂板形成較高的法向應力，綜合考慮設計頂板采用MSGLW-500/22-3200型高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排距1.2m，間距1.0m，與兩幫煤壁的距離為0.25m。兩幫采用MSGLW-500/22-2800型高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排距為1.2m。

2）短錨索；錨索長度為5.4m，該類型的錨索主要作用于非穩定層和深部穩定巖層之間的亞穩定巖層，增強該區域內巖層的整體性，增加頂板層間滑移阻力，在一定程度上繼續提高非穩定層的整體性，提高其自穩能力，將巷道頂板處的應力集中轉化為一個更大的結構來承載。根據巷道的具體情況選用采用SKP22-1/1720-5400型錨索，頂板短錨索排距為2.4m，間距為1.5m，與兩側煤壁的距離均為0.4m，對稱布置；煤幫采用相同型號的短錨索，排距為1.2m，間距為0.95m。

（3）長錨索；錨索長度為7.4m，根據懸吊理論，將非穩定層及亞穩定層聯結的整體通過長錨索懸吊與上部的穩定層中，有效地降低巷道頂板的應力集中，增強巷道周圍煤巖體的整體性。根據回風順槽頂板的發育情況，選用型號為SKP22-1/1720-7400型錨索，錨索的間排距與短錨索相同，與煤壁的距離為1.25m。

圖3 多層次錨桿支護示意圖

經過各個層次的支護設計，18506工作面回風順槽巷道圍巖的支護結構詳細情況如圖3所示，在安裝錨索位置處焊接兩段縱筋，在錨桿排距之間鋪設鋼筋網型號為GW6.5/100-2.3×1.35，防止小塊煤巖體的掉落，在巷道兩個頂角處錨桿采用斜打頂角錨桿，抑制巷道的形狀扭曲，錨桿、長錨索及短錨索形成連續的預應力結構共同承載，最終達到保證圍巖的長期穩定的目的。

圖4 巷道圍巖變形量監測結果

5 結 論

巷道支護完成，待18506大采高綜采工作面進入到回采階段后，為了考察支護體系的效果，在距離開切眼30m、60m、100m分別布置了巷道位移量的監測站1、2、3號，進行了為期三個月的監測活動，得到的數據整理后結果如圖4所示。

從巷道表面位移監測結果可知，在工作面回采期間，巷道頂板位移最大為70mm，兩幫最大位移為145mm，并且變形集中在巷道成型后的40天內，之后巷道圍巖基本穩定，可以說明取得了良好的支護效果。