深埋煤巷頂板錨索破壞機理及支護技術應用研究

李 輝 鞏 赟

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400）

1 概況

陽煤集團新元公司9105 工作面處于二水平一采區，地面標高1 098.5～1 181.7 m，工作面標高413.8～517.4 m，埋藏深度553.5～637.8 m，煤層厚度為1.0～4.5 m，平均2.05 m。工作面北部為礦界，南鄰西回風大巷，西部為9103 工作面，東部為9107 工作面（規劃）。9105 工作面均沿9#煤布置，9#煤層賦存穩定。偽頂為泥巖，均厚0.20 m；直接頂為砂質泥巖，平均厚度2.20 m；基本頂為中砂巖，平均厚度10.80 m；直接底為炭質泥巖，平均厚度0.67 m；基本底為細砂巖，平均厚度2.32 m。9103 工作面回采巷道在掘巷完成后，多處頂板錨索出現破斷失效。

2 頂板錨索破斷特征研究

2.1 9105 運輸順槽原支護設計

9105 運輸順槽采用矩形斷面，支護方式為錨網索梁聯合支護，設計寬度4.4 m，高2.7 m。頂板采用Ф22 mm×2200 mm 左旋全螺紋鋼錨桿，間排距800 mm。幫錨桿規格為Ф22 mm×2200 mm及Ф20 mm×2000 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm，每側4 根。中部2 根錨桿垂直煤壁施工，規格為Ф20 mm×2000 mm；上部、下部1 根垂直煤幫與水平方向呈15°夾角施工，規格為Ф22 mm×2200 mm。頂板及兩幫錨桿均采用樹脂加長錨固方式，每根錨桿采用一支Z2360 樹脂藥卷；頂板每排布置3 根錨索，間排距為1200 mm×1600 mm，長度6.25 m，采用三支樹脂錨固劑端錨，均垂直頂板施工。如圖1。

圖1 9105 運輸順槽原支護斷面（mm）

2.2 掘巷階段頂板錨索破斷特征

9105 運輸順槽頂板錨索由索體、索具及配套托盤組成[1-2]。索體由預應力鋼絞線制成，錨固方式為端錨，據此可以將錨索分為錨固段、自由段、錨尾三段。為掌握頂板錨索在掘巷階段的破壞特征，以鄰近的9103 工作面運輸順槽為例，收集頂板錨索的破壞情況，為提出有效解決辦法提供依據。根據9103 運輸順槽掘巷完成后現場調研結果，整個巷段多處出現頂板錨索破斷的現象，以距工作面開切眼150 m 為例，頂板錨索破斷點位俯視圖如圖2（a）。其中距切眼0～50 m 范圍內，在“錨網索梁”支護的基礎上，采用單體柱+工字鋼進行補強支護。統計正常支護巷段100 m 巷段頂板錨索破斷位置，整理得到結果如圖2（b）。

圖2 錨索破斷情況

由圖2 可知，頂板錨索破斷數量在回風順槽與切眼交叉處最為集中，說明該位置頂板懸空面積大，受力復雜，頂板易產生不規則變形，因此需要進一步補強支護。實體煤側錨索及中部錨索破斷數量顯著大于窄煤柱一側，實體煤幫側錨索主要破斷位置為托盤到自由段0～2 m 范圍內（錨尾），頂板中部錨索破斷位置主要為中部自由段。結合現場調研情況，頂板中部錨索斷口處大多存在明顯的縮頸現象，表明頂板中部錨索大多發生拉斷破壞；實體煤一側錨尾附近斷裂的錨索，錨索索具與巖層接觸面可見光滑的剪切痕跡，錨索破斷形式為剪切破壞。綜上可得，頂板錨索破壞形式為拉伸破壞和剪切破壞，破斷錨索主要集中在巷道實體煤側及中部。

3 高預應力錨索支護技術

9#煤層巷道頂板采用錨桿-錨索聯合支護，直接頂較為破碎且厚度大于錨桿長度，錨桿起到提升直接頂整體性和自承能力的作用[3]，但是無法起到將頂板錨固到堅硬巖層的作用。錨桿將淺部破碎巖層錨固為一個整體，通過長錨索將其懸吊在堅硬的基本頂巖層中。錨桿未能直接錨固在堅硬巖層中，無法起到控制直接頂與基本頂間離層的作用，僅有錨索起到控制直接頂與基本頂間離層的作用。鄰近工作面回采動壓影響下，導致錨索載荷超出其額定載荷，引起錨索拉伸破斷，頂板離層引發部分錨索剪切破壞，進一步加劇圍巖的變形破壞。基于頂板錨索破壞機理，提出采用短錨索+長錨索聯合支護技術控制頂板圍巖，通過短錨索將直接頂錨固在基本頂巖層，通過長錨索調動深部巖層的穩定性，從而形成穩定的自穩、承載結構。

為驗證采用短錨索-長錨索支護技術的合理性，采用FLAC3D軟件進行模擬研究[4]，分析巷道圍巖在不同支護方案下應力分布及變形情況。支護方案：方案一，頂板采用傳統的短錨桿+長錨索支護，錨桿預緊力50 kN，錨索150 N；方案二，短錨索+長錨索支護，短錨索預緊力50 kN，長錨索150 kN；方案三，短錨索+長錨索支護，短錨索預緊力50 kN，長錨索150 kN。整理得到結果如圖3、圖4。

由圖3 可以看出，錨桿、錨索支護形式下，在頂板巖層中形成高壓應力場，長錨索端錨固在深部巖層。施加相同預緊力條件下，短錨索+長錨索支護相對于短錨桿+長錨索支護形成的高壓應力場更大，說明有效控制范圍更大，頂板整體性更強。通過對短錨索施加更大的預緊力，同樣使高壓應力場范圍更大，且壓應力值增大，說明通過提高短錨索預應力可以更好地控制頂板。由圖4 可以看出，方案一、方案二條件下巷道頂板中部離層量最大，兩側離層量較小，頂板中部離層明顯且巖層間存在相互錯動；方案三條件下，頂板淺部圍巖和深部圍巖相對移動量穩定在3～4 mm，離層量很小且均勻，杜絕了頂板中部的過度離層及巖層間的相互錯動。綜上可知，通過短錨索+長錨索聯合支護預計能夠有效控制頂板的離層和大變形。

圖3 頂板應力分布

圖4 頂板巖層離層量

4 工程應用及效果分析

4.1 支護方案

根據上述研究結論對9105 運輸順槽支護方案進行優化。頂板采用短錨索+長錨索聯合支護，短錨索直徑21.8 mm，長3.5 m，間排距0.8 m，預緊力150 kN，長錨索直徑21.8 mm，長度6.25 m，間排距1.2 m×0.8 m，預緊力150 kN，頂板錨索均采用三支樹脂藥卷進行端錨，幫錨桿直徑20 mm，長度2.6 m，間排距0.8 m，預緊力50 kN，如圖5。

圖5 9105 運輸順槽支護方案（mm）

4.2 應用效果分析

為檢驗短錨索+長錨索支護方案的應用效果，9105 運輸順槽掘進期間監測頂板錨索載荷及頂板離層量，得到結果如圖6。與掘進頭距離由0 m 增大至60 m 期間，短錨索、長錨索載荷均增大，且最終保持在200～250 kN之間。隨著掘進工作面的推進，錨索載荷有一定量的增大，但均在其承載能力范圍內，工作狀況良好。與掘進頭距離由0 m 增大至60 m 期間，頂板巖層淺部、深部基點離層量均增大，之后穩定不變。1.5 m 基點相對于2.8 m 基底離層量僅1 mm，說明短錨索支護效果良好；1.5 m 基底與5 m 基點相對位移量僅9 mm，說明長錨索支護效果良好。綜上可得，9105 運輸順槽掘巷期間，頂板錨索工作狀態良好，頂板未出現大變形和過度離層，且未發生錨索破斷失效現象，短錨索替代錨桿取得了較好的應用效果。

圖6 掘巷階段頂板錨索載荷及離層量變化

5 結語

（1）新元煤礦9103 運輸順槽在掘巷階段，頂板錨索破斷集中在中部和實體煤側，破斷位置主要集中在錨尾和中部自由段，破斷形式為拉伸破斷和剪切破斷。

（2）提出采用短錨索替代錨桿，并提高短錨索的預應力來控制頂板離層和大變形。數值模擬結果表明：該方法可增大頂板有效支護范圍，并減小頂板的下沉量和離層量。

（3）工程應用實踐表明：短錨索+長錨索聯合支護技術可有效控制頂板巖層的大變形和離層，消除了長錨索破斷現象，取得了良好的應用效果。