辛置礦2-559采面復合頂板巷道圍巖控制技術

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦2-559工作面位于450水平南五采區，工作面北為2-534工作面采空區，東部為2-560掘進工作面，南部為310回風巷、310皮帶巷及310軌道巷，西部為上跑蹄風井與工業廣場保安煤柱。工作面開采2#煤層，煤層厚度為3.35～4.10m，平均厚度為3.75m，采用大采高回采工藝進行采煤作業。煤層直接頂巖層為泥巖和砂質泥巖互層，老頂巖層為K8中細砂巖，底板巖層為泥巖和中砂巖，具體頂底板巖層特征見表1。

2-559工作面運輸順槽沿2#煤層底板掘進，掘進斷面為矩形，掘進寬度×高度=5.4 m×3.2m，巷道頂板巖層為泥巖和砂質泥巖互層，屬于復合頂板，頂板易出現變形離層現象，為保障頂板巖層的穩定，特進行巷道圍巖控制方案設計。

表1 煤層頂底板巖層特征

2 錨索支護參數模擬分析

巷道開挖后，頂板巖層在上覆巖層壓力與自身重力的影響下，巖層會主要受到拉應力的作用，進而使得巷道頂板巖層一定深度范圍內在拉應力作用下會出現受拉破壞，當采用錨桿（索）支護技術進行圍巖控制時，需確保錨桿能夠將下方軟弱巖層有效錨固在一起，再通過錨索將組合在一起的軟弱巖層錨固在堅硬巖層上，以形成組合拱，保障頂板巖層的穩定[1-2]。

為充分保障支護方案中各項支護參數的合理性，特采用FLAC數值模擬軟件進行錨桿各項支護參數的模擬分析，根據巷道賦存具體情況，建立模型長×寬×高=100 m×100 m×50m的力學模型，固定模型的底板及側邊[3]，在模型上方施加上覆巖層的自重7.5MPa，根據頂底板巖層力學參數進行模型中各巖層參數的賦值。現進行錨索長度、預應力的模擬分析。

2.1 錨索長度分析

為保障錨索能夠在頂板巖層控制中起到主要的懸吊加固作用，設置錨索長度為5m、6m、7 m和8m，分別進行模擬分析，根據數值模擬結果，能夠得出錨索支護后，圍巖垂直應力的分布規律見圖1。

圖1 不同錨索長度下圍巖應力分布曲線

分析圖1可知，錨索支護區域圍巖應力主要可劃分為兩部分，分別為錨索自由段和錨固段，在錨索的錨固區域，應力主要表現為出現拉應力核的狀態，且應力值向頂板深部逐漸擴散，在錨索支護的自由段，應力與桿體為中心呈現出雙壓應力核的分布狀態。當錨索長度為5 m和6m時，此時錨桿自由段的兩個應力區域表現為靠近重疊的特征，應力在錨索自由段表現為均勻分布，進而能夠對圍巖起到持續壓縮的作用。當錨桿長度增大為7 m和8m時，此時在錨桿自由段的中部逐漸形成了低應力區域，此時錨索對自由段中部圍巖的控制效果逐漸降低，即表現隨著錨索長度的增大，錨索對自由端中部的控制效果逐漸減弱。

基于2-559工作面運輸順槽頂板巖層賦存情況，為保障錨索有效錨固在穩定巖層內，綜合數值模擬結果確定錨索長度為6.2 m。

2.2 錨桿預應力分析

基于上述模擬結果，現為確定錨索合理的預緊力，結合高預應力支護原理[4-6]，設置錨索長度為6m，設置預緊力分別為100 kN、200 kN、250 kN、300 kN，根據數值模擬結果，得出錨索在不同預緊力長度下圍巖垂直應力分布見圖2。

圖2 不同預緊力下圍巖垂直應力分布曲線

分析圖2可知，隨著錨索預應力數值的增大，圍巖應力等值線形狀基本未出現變化，但隨著預緊力的增大，錨索預應力在圍巖中應力數值呈現出相應增大的特征，在錨索預緊力從100 kN增大到300 kN時，錨索自由端的最小壓應力由1×104Pa增大為3×104Pa，錨固段的最大拉應力由4×103Pa增大為1.2×104Pa。據此可知錨索預緊力增大，預緊力在圍巖中的擴散的應力也會相應的增大，從而能夠加強對圍巖的加固作用。

綜合上述分析，為保障錨索對頂板巖層的控制效果，盡量增大錨索的預緊力，確定錨索采用高預緊力，長錨固的形式，設置錨索的預緊力為250 kN。

3 圍巖控制技術

3.1 支護方案

根據2-559工作面運輸順槽復合頂板特征，結合上述錨索支護參數的分析結果，確定巷道采用錨網索支護，具體支護方案如下：

（1）頂板支護：頂板錨桿采用高強螺紋鋼錨桿，規格為Φ20 mm×2200 mm，錨桿錨固方式采用樹脂錨固劑進行端頭錨固，間排距為700（1100）mm×800 mm，錨桿預緊力為300 N·m，梁頂角錨桿與頂板成15°安裝，其余錨桿均垂直頂板安裝；頂板錨索采用1×19股低松弛高強度鋼絞線，規格為Φ17.8 mm×6200 mm，間排距為1500 mm×1500 mm，錨固采用樹脂藥卷加長錨固，設置預緊力為250 kN，錨索全部垂直于巷道頂板安設。

（2）兩幫支護：非回采幫錨桿采用高強度螺紋鋼錨桿，規格Φ27 mm×2000 mm，每排布置3根錨桿，間排距為1100 mm×800 mm，回采幫采用玻璃鋼錨桿，錨固采用樹脂錨固劑進行端頭錨固，設置錨桿預緊力為200 N·m，幫角兩錨桿與巷幫成15°布置，其余錨桿均垂直于巷幫安裝。

具體巷道支護方式見圖3。

圖3 巷道支護斷面

3.2 效果分析

（1）鉆孔窺視分析

巷道支護方案實施后，為分析巷道支護方案的實施效果，在巷道頂板進行鉆孔窺視，窺視鉆孔深度為6m，鉆孔窺視結果見圖4。分析窺視結果可知，巷道頂板巖層裂隙及離層區域主要出現在頂板淺部巖層1.0m范圍內，在巷道巖層1 m以上的區域未見巖層出現離層現象，這表明巷道頂板巖層處于穩定狀態，現有支護方案能夠保障復合頂板的穩定。

圖4 鉆孔窺視

（2）巷道表面位移

在巷道掘進期間，在巷道迎頭區域設置巷道表面位移監測站，隨著掘進作業的進行，持續進行監測作業，根據監測數據能夠得出巷道圍巖變形量與觀測時間之間的關系曲線，見圖5。

圖5 巷道表面位移曲線

分析圖5可知，巷道掘進出后，隨著觀測時間的增大，巷道頂底板及兩幫移近量均逐漸增大，巷道圍巖的變形主要出現在巷道掘出后的0～30 d內，當巷道掘出30d后，此時巷道圍巖變形速率大幅下降，圍巖變形逐漸趨于穩定狀態，圍巖變形穩定后，頂底板及兩幫移近量最大值分別為139 mm和122 mm，圍巖變形量較小，圍巖控制效果良好。

4 結語

根據2-559工作面運輸順槽復合頂板巖層的特征，通過數值模擬具體分析合理的錨索長度及錨索的預緊力，基于數值模擬結果確定錨索長度為6.2m，預緊力為250 kN，結合巷道賦存特征，進行錨網索支護參數的具體設計，支護實施后通過鉆孔窺視和巷道表面位移分析，得出該支護圍巖控制效果良好。