回采巷道頂板巖層局部破碎支護設計研究

余 露

(山西太行遠景供應鏈管理有限公司，山西 晉城 048000)

1 工程概況

山西晉煤集團翼城晟泰青洼煤業有限公司位于山西省翼城縣西閆鎮十河村東一帶，地質儲量6 877萬t，可采儲量4 902.1萬t。2103運輸巷為矩形巷道，寬度4.8 m，高度3.2 m，位于一采區準備大巷左翼，2103工作面主采2號煤層，平均厚度2.85 m，埋深207～231 m，頂底板巖性如表1所示。

2 支護方案設計

考慮到2103工作面開采高度較大，而直接頂巖層為泥巖和灰巖互層，質軟性脆而且局部裂隙發育，頂板破碎，因此提出采用錨桿+錨索+金屬網的支護方式對回采巷道進行支護。對于局部裂隙發育，頂板破碎位置進行有針對性的補強支護設計。如該位置頂板破碎范圍較小，在工作面回采過程中對回采巷道圍巖穩定性影響較小，不會引發安全事故，則不需對其進行針對性的補強支護，只需在工作面回采過程中對該位置變形量重點監測，以防引發冒頂等安全事故[1-2]；如頂板破碎范圍大，工作面回采過程中對回采巷道圍巖穩定性影響較大，極易引發冒頂等安全事故，則需對該位置進行針對性的補強支護[3-4]。擬采用NPR恒阻大變形錨索進行補強支護。具體方案設計如下：

2.1 常規支護：錨桿+錨索+金屬網

2.1.1 錨桿長度選取

1) 頂錨桿

L頂=L1+L2+L3

式中：L頂為頂錨桿長度；L1為外露長度，0.1 m；L2為有效長度；L3為錨固長度，0.8 m；f為頂板巖層普氏系數，2.9；B為巷道寬度，4.8 m；H為巷道高度，3.2 m；φ為頂板巖層內摩擦角，70°。計算可得L頂=1.9 m。綜合考慮礦方現有條件及安全系數，頂錨桿長度設計為2.0 m。

2) 幫錨桿

計算可得L幫=1.5 m。類比臨近工作面支護效果，幫錨桿長度設計為1.5 m。

2.1.2 錨索長度選取

L索=L索1+L索2+L索3

式中：L索為錨索長度；L索1為錨索外露長度，0.32 m；L索2為錨索的有效長度，2.5 m；L索3為錨索的錨固長度；d為錨索直徑，18.9 mm；σt為錨索抗拉強度，1 820 MPa；τc為樹脂錨固劑與錨索粘強度，10 MPa。

計算可得：L索=5.4 m。綜合考慮礦方實際情況及安全系數，頂錨索長度設計為6.2 m。

綜上所述，參考臨近工作面支護效果，常規支護方案為：頂錨桿長度設計為2.0 m，間排距為880 mm×800 mm，幫錨桿長度設計為1.5 m，間排距為1 200 mm×800 mm，錨索長度設計為6.2 m，間排距為1 500 mm×1 600 mm。頂板鋪設D12 mm×4 800 mm×1 000 mm的鋼筋網，兩幫均鋪設D12 mm×2 800 mm×1 000 mm的鋼筋網，常規支護設計方案如圖1所示。

圖1 常規支護設計方案(mm)

2.2 補強支護

在常規支護基礎上，在頂板破碎位置設置NPR恒阻大變形錨索。

當頂板圍巖破碎范圍較大時，工作面回采過程中該位置極易產生圍巖大變形，此時普通錨索極易變形徑縮而失效，導致支護體系破壞，從而引發冒頂等安全事故。究其原因，就是普通錨索受拉應力時，軸向伸長變形的同時橫向直徑會變小，導致錨索失效。基于此，何滿潮院士提出了NPR恒阻大變形錨索的非常規支護結構設計。其核心思想就是特殊的結構設計，使錨索在受到拉應力時，讓其在軸向伸長變形的同時，橫向直徑不變，從而保證錨索在圍巖大變形時仍能保持原有的支護效果，避免圍巖失穩引發安全事故[5-7]。NPR恒阻大變形錨索的負泊松比效應主要是通過恒阻器實現的。恒阻器結構如圖2所示，NPR恒阻大變形錨索工作原理如圖3所示。

如圖2所示，恒阻器由錨具、恒阻體及套筒組成。如圖3所示，將恒阻器安裝于普通錨索尾部，當圍巖變形時，恒阻體向套筒內部滑動，避免錨索在拉應力的作用下發生徑縮、破斷等現象，起到保護錨索的作用。在恒阻器的作用下，可以保證錨索在頂板巖層發生大變形時仍然保持工作阻力，防止頂板破碎位置失穩引發頂板事故。

圖2 恒阻器結構示意

圖3 NPR恒阻大變形錨索作用原理

3 現場試驗

為驗證常規支護+補強支護方案的支護效果，在2103運輸巷進行現場試驗，在2103運輸巷正常位置采用常規支護方案。在2103運輸巷頂板巖層破碎范圍較大位置進行補強支護，NPR恒阻大變形錨索安裝簡單，只需要在普通錨索尾部加裝恒阻器，鋼絞線長度同樣選取6.2 m，同時加裝恒阻錨索工作阻力監測儀，對回采過程中NPR恒阻大變形錨索的工作阻力進行實時監測。NPR恒阻大變形錨索工作阻力監測曲線如圖4(a)所示，頂板下沉量監測曲線如圖4(b)所示。

如圖4(a)所示，距離工作面120 m左右，頂板開始下沉，錨索開始承受頂板變形產生的壓力。在距離工作面100 m范圍以內時，NPR恒阻大變形錨索的工作阻力也急劇增大。在距離工作面70 m范圍以內時，NPR恒阻大變形錨索的工作阻力基本維持穩定，在360～365 kN小范圍內波動。根據圖4(b)顯示，在距離工作面120 m左右，頂板巖層開始下沉。在距離工作面100 m范圍以內時，頂板下沉量急劇增大，直到工作面推進到監測點位置，頂板下沉量一直在增大，頂板下沉量最大值為256 mm。通過對比分析圖4(a)和圖4(b)可知，當距離工作面70 m范圍以內時，NPR恒阻大變形錨索工作阻力已達到穩定狀態，而此時頂板下沉量還在急劇增大，表明恒阻器確實起到了保護錨索的作用，在頂板下沉變形過程中，錨索可以維持恒阻狀態并保持工作阻力在360～365 kN范圍內，直到工作面推進到監測點位置，NPR恒阻大變形錨索工作阻力仍然可以維持在360～365 kN這一較高水平，對于頂板破碎位置起到了有效的支護作用。以鄰近巷道為參考，在2101工作面回采過程中，2101運輸巷頂板巖層破碎位置，為防止頂板巖層失穩，采用了木垛加強支護。即使在木垛加強支護的前提下頂板下沉量最大值仍然達到了453 mm，而在NPR恒阻大變形錨索補強支護下，頂板下沉量最大值僅為256 mm，降低了43.5%，現場試驗表明NPR恒阻大變形錨索的補強支護作用效果顯著。

圖4 現場監測曲線

4 結 語

1) 本文針對青洼礦2103運輸巷頂板巖層局部破碎的特點，提出了采用常規支護+補強支護的方案進行巷道支護。

2) 2103運輸巷頂板巖層完整性較好的位置，采用錨桿+錨索+金屬網的常規支護方案。

3) 在2103運輸巷頂板巖層大面積破碎極易失穩引發頂板安全事故的位置，采用NPR恒阻大變形錨索進行補強支護。通過現場試驗，采用NPR恒阻大變形錨索補強支護后，頂板下沉量最大值僅為256 mm，且錨索工作阻力可以維持在360～365 kN這一較高水平，補強支護效果良好。