耦合讓均壓支護技術在蠕動變形頂板中應用

范 進

（大同煤礦集團馬脊梁礦，山西 大同 037001）

巷道掘進期間受斷層、采空區、陷落柱等應力影響，巷道頂板出現蠕動變形現象，主要表現在頂板彎曲變形、頂板下沉、頂板破碎等現象，而傳統頂板采用的錨桿（索）主動支護，在蠕動變形頂板中無法有效發揮與頂板同步耦合支護作用，最終導致頂板錨桿（索）支護失效現象，威脅著應力區頂板支護安全。所以對于應力影響下蠕動變形頂板采取合理有效的支護設計，實現支護體耦合讓壓支護作用，對提高頂板支護質量，控制頂板蠕動變形量具有重要意義。本文以馬脊梁礦5127 巷掘進為例，對巷道應力區蠕動變形頂板采取了耦合讓均壓支護技術，確保變形頂板控制與維護。

1 概況

大同煤礦集團馬脊梁礦5127 巷位于井田一盤區，北東為馬脊梁礦與同忻礦礦界，南東為馬脊梁礦與同忻礦礦界及8220 工作面采空區，北西為盤區大巷及實煤區，南西為盤區大巷。5127 巷設計長度為2456 m，巷道斷面寬×高=5.4 m×3.7 m。巷道掘進煤層為石炭系3#煤層，煤層厚度5.08～8.31 m，平均6.78 m，煤層傾角1°～3°，平均2°，純煤厚5.62 m，結構復雜，含夾矸3～7 層，巖性為泥巖、砂質泥，局部有煌斑巖侵入，屬近水平煤層。3#煤層直接頂主要為含礫粗砂巖，平均厚度為10.9 m；基本頂主要以中粒粗砂巖為主，平均厚度為4.5 m。5127巷采用機械化掘進工藝，截至2020年2月13日，巷道已掘進870 m。

2 原支護設計及支護現狀

2.1 原支護設計

（1）5127 巷原支護設計中頂板每排布置7 根長度為2.5 m、直徑為22 mm 左旋無縱筋錨桿，錨桿間距為0.8 m，排距為1.0 m，肩角處錨桿與頂板的夾角為80°。錨桿采用加長錨固方式，錨固長度為1.1 m。

（2）頂板每排施工5 根長度為5.3 m、直徑為17.8 mm 預應力錨索，每排布置4 根，間距為1.0 m，排距為2.0 m，角錨索每排2 根，與同排最近錨索間距為1.15 m。

2.2 支護失效狀況

5127 巷掘進至881 m 處揭露一條正斷層F2，斷層落差為1.2 m，傾角為54°。5127 巷掘進至865 m 處進入F2 斷層應力影響區，巷道在應力區掘進過程中同時受8220 采空區影響，巷道頂板出現蠕動變形現象，巷道頂板錨桿、錨索錨固失效現象嚴重，失效率達11%，部分支護承載件（鋼帶）在應力作用下出現斷裂、變形現象，導致應力區頂板維護控制效果差，頂板局部破碎嚴重，頂板最大下沉量達0.44 m，原頂板支護不能滿足應力區巷道高效掘進要求。

2.3 頂板支護失效原因分析

由于5127 巷應力區頂板蠕動變形嚴重，特別是頂煤區段出現蠕動變形現象后，頂板承載能力降低，造成頂板下沉、離層、斷裂現象，而原頂板采用的錨桿（索）支護體延展性較低，對于小應力區及蠕動變形小的頂板采用該類支護效果相對較好，但對于5127 巷應力區蠕動變形較大的頂板，錨桿（索）支護在應力作用下變形無法與頂板變形相耦合，隨著頂板蠕動變形持續作用，最終導致錨桿（索）斷裂。通過現場觀察發現，5127 巷應力區錨桿常在絲扣部、錨索常在距錨索托盤安裝部位0.5～1.2 m處發生斷裂。

3 耦合讓壓支護技術應用

3.1 耦合讓壓支護技術原理

對于軟巖巷道掘進后巷道頂板煤巖體產生蠕動變形現象，且隨著時間推移逐漸趨于穩定，頂板在蠕動變形期間頂板圍巖力學性質發生變化，頂板承載梁穩定性降低，若在蠕動變形期間采用鋼性支護進行控制時，由于鋼性支護體延展性低、耦合讓壓效果差，導致隨著頂板蠕動變形量增加，支護體屈服壓力增大，當屈服壓力大于支護體屈服強度時支護出現破斷現象。

耦合讓壓支護技術是在不改變支護體長度、直徑、強度等技術參數下，在支護體上安裝讓壓構件，安裝讓壓構件的支護體在支護時讓壓構件能夠隨著頂板蠕動變形進行相適應讓壓作用，在讓壓期間支護體受壓控制在屈服強度極限內，從而達到耦合讓壓支護目的。

3.2 耦合讓均勻支護施工

為了降低支護勞動作業強度以及支護成本費用，決定對5127 巷斷層應力區頂板采用“讓壓蛇形錨桿+讓壓鳥窩恒阻錨索”聯合進行支護。5117巷蠕動變形頂板耦合讓壓錨桿（索）支護斷面、平面示意圖如圖1。

3.2.1 支護體參數

為了增加錨桿（索）支護強度，頂板讓壓錨桿采用長度為3.5 m、直徑為28 mm 碳鋼材質的左旋無縱筋錨桿，錨桿屈服強度為225 MPa，延展率為5%，抗剪切應力為655 kN。讓壓錨索采用長度為8.0 m、直徑為21.8 mm 恒阻錨索，錨索抗拉強度為455 MPa，延展率為11%。

3.2.2 讓壓構件基本參數

錨桿采用10～12TB 型單泡蛇形讓壓管，讓壓最大承載作用力520 kN，最大讓壓距離0.35 m，讓壓管安裝在距錨桿錨固1.5 m 處。錨索采用24～30TB 型雙泡鳥窩讓壓管，讓壓最大承載作用力為870 kN，最大讓壓距離為0.62 m。

3.2.3 讓壓支護設計

（1）由于5127 巷3#煤層穩定性差，在應力區處頂煤破壞嚴重，為了降低鉆孔施工時對頂板產生擾動破壞，優化后應力區頂板每排布置5 根讓壓蛇形錨桿，所有錨桿垂直頂板布置，間距為1.2 m，排距為1.0 m，讓壓錨桿采用加長錨固方式，錨固長度為1.2 m。

（2）為了進一步提高承載件承壓強度，增加承載件支護截面積，在同一排讓壓錨桿外露端安裝一根“JW”型鋼梁，鋼梁長度為5.2 m，寬度為0.38 m，厚度為4 mm，鋼梁單位面積承載強度為372 MPa。

（3）原頂板錨索全部更換為讓壓鳥窩錨索，每排布置3 根，錨索排距為3.0 m，間距為2.0 m，同一排錨索外露端安裝一根長度為4.2 m、寬度為0.15 m 槽鋼。

（4）為了進一步提高支護承載能力，將原頂板14#鉛絲編制的鋼制經緯網更換為柔性纖維網，每片網長度為10 m，寬度為5.5 m，柔性纖維網承載能力為120 MPa。與傳統鋼制網相比，柔性纖維網具有柔性好、頂板維護效果好、承載能力強等優點，可適用于高應力圍巖中。

圖1 5117 巷蠕動變形頂板耦合讓壓錨桿（索）支護斷面、平面示意圖

3.3 應用效果分析

為了監測耦合讓壓支護技術應用效果，分別從頂板下沉量以及讓壓錨桿（索）兩方面進行觀察分析。

（1）頂板下沉量觀察分析。5127 巷蠕動變形區頂板施工讓壓錨桿（索）后，選取了三個觀測點（1#～3#），觀測點間距為15 m，每個觀測點處安裝一個YHW300 型電子頂板離層儀。通過對三個測點進行15 d 觀測發現，在0～7 d 范圍內頂板蠕動下沉量最大，平均下沉量為0.32 m；在7～12 d 范圍內蠕動變形量逐漸減??；在12～15 d 范圍內頂板讓壓錨桿（索）與蠕動變形頂板達到最佳耦合支護作用，頂板蠕動變形量趨于零，在此期間頂板處于完整狀態，未見破碎、斷裂現象。

（2）讓壓錨桿（索）受力狀態分析。為了檢測應力區讓壓錨桿（索）受壓情況，在1#、2#、3#三個測點各取一根讓壓錨索和讓壓錨桿，并在其外露端安裝一個YL-803Z 軸向智能數顯壓力器。通過30 d 現場觀察發現，在前15 d 內受頂板蠕動變形影響，錨桿、錨索受力成遞增趨勢，如圖2；15 d 后頂板讓壓錨桿（索）與蠕動變形頂板達到耦合支護最佳狀態，頂板下沉量得到控制，錨桿（索）受力趨于穩定，錨桿平均受力值為117 kN，錨索平均受力值133 kN，且全部未達到錨桿（索）屈服強度值，錨桿（索）未出現破斷現象，支護良好。

圖2 5117 巷蠕動變形頂板讓壓錨桿（索）受力曲線圖

4 結束語

通過對5127 巷應力區蠕動變形頂板采取耦合均讓壓支護技術后，解決了蠕動變形頂板采用傳統鋼性支護體延展率低、讓壓效果差、起不到耦合支護作用等技術難題，避免了鋼性支護體在應力作用下出現破斷、變形現象，提高了蠕動變形頂板整體支護強度，實現了支護體與變形頂板耦合支護作用，為類似地質條件的采掘工作面圍巖控制提供了借鑒依據，取得了顯著應用成效。