由于應力條件、地質構造及開采動壓影響，煤層頂板出現(xiàn)了大量裂隙，這些裂隙把頂板巖塊切割成許多小塊體。由于頂板的完整性遭到破壞，普通單體錨索支護已經(jīng)不能適應破碎頂板的支護要求。破碎頂板的工程地質有3方面的特點^[1]：①除層面發(fā)育外，還發(fā)育有多組結構面，結構面間貫通性好，將巖體切割破碎；②此類頂板整體強度低，開挖后頂板自穩(wěn)能力差，下沉量大，易出現(xiàn)冒頂；③該類頂板出現(xiàn)于構造運動強烈并產生嚴重變形或破裂的巖石中，巷道沿大落差斷層布置時常出現(xiàn)此類頂板，這是斷層附近頂板冒落的原因之一。

壓力拱是巖體為抵抗不均勻變形而進行自身調節(jié)的一種現(xiàn)象^[2]。如果把圍巖作為一種結構來看，處于壓力拱中的巖石承擔著自身和其上方巖體的荷重，這是確保其上方巖體不會塌落的一個具有拱的力學特性的結構。

 

1 試驗巷道地質條件

小峪煤礦南Ⅱ盤區(qū)接替緊張，3#煤層4801工作面與2#層3801工作面上下對應布置，為了緩減接替緊張的局面，3#煤層4801工作面運輸巷道4201巷只能在上覆2#煤層3801綜采面開采過程中掘進，2#煤層與3#煤層層間距只有2.0～3.5m，屬極近距離煤層，預計回采動壓對巷道掘進維護有很大影響。如(圖1)所示，3#層直接頂為深灰色粉砂巖，厚2.0～3.5m，裂隙發(fā)育。底板為深灰色泥質砂巖，厚度5m。4801工作面設計走向長400m，傾向長150m。4201巷毛斷面寬×高=3000×3000mm。當3#層4201巷180 m時，距2#層3801工作面為30 m，4201頂板來壓明顯，兩幫煤壁片幫0.2～0.4 m；當3#層4201巷掘到196 m時，與2#層3801工作面煤壁對齊，伴隨采動影響，頂板來壓逐漸強烈，開始發(fā)生斷裂，產生裂隙，頂板較難維護；當3#層4201巷掘到218m時，超出2#層3801工作面煤壁30m，由于開采動壓影響，煤層頂板出現(xiàn)了大量裂隙，由于頂板的完整性遭到破壞，普通單體錨索支護已經(jīng)不能適應破碎頂板的支護要求。此時，選擇合理的支護方式顯的尤為重要。

      圖1 3#層4201巷掘進示意圖

2 桁架錨索對破碎頂板的支護作用

2.1破碎頂板的壓力拱及支護特點

    破碎頂板是由裂隙系統(tǒng)切割成的松散巖塊組成的集合體，其自身承載能力低，巖體強度主要由破碎巖塊間擠壓摩擦產生。由于圍巖壓力(特別是水平擠壓力)的作用，破碎巖塊相互擠壓而形成壓力拱，保護壓力拱上方的巖塊不跨落。壓力拱下方的巖石，所受的水平擠壓力很小，巖塊間的摩擦力小于巖塊的重力，如果沒有及時有效的支護，頂板容易跨落。巷道支護的目的是控制圍巖變形和頂板跨落^[3]，為此應控制壓力拱的范圍和壓力拱下方巖塊的冒落。單體錨索與頂板是點接觸，在頂板破碎的情況下，控制范圍大幅減少。單體錨索垂直布置，只能提供垂直方向的擠壓力，并且錨固點可能位于壓力拱內。壓力拱的承載能力很低，導致錨固點不穩(wěn)定。單體錨索傾斜布置，頂板巖塊項兩幫擠壓，使巷道中部的巖塊易發(fā)生大變形和跨落。

2.2桁架錨索對破碎頂板的支護作用

桁架錨索支護是將受壓狀態(tài)的巷道兩幫上方的深部巖體作為錨固點和承載結構的基礎，采用高預緊力對拉并鎖緊2根鋼絞線，直接作用于壓力拱以下的圍巖提供水平預應力以改善頂板的應力狀態(tài)，強化低位巖體的力學性能和提高其抗變形性能，控制層狀頂板的不協(xié)調變形^[4]。

桁架錨索是一種能在巷道頂板的水平和垂直方向同時提供擠壓應力的主動支護結構，從而使錨固區(qū)內的煤巖體處于垂直擠壓和水平擠壓狀態(tài)。桁架錨索預緊力能對壓力拱下方的圍巖施加水平積壓力，從而增加巖塊間的磨擦力，可有效主動控制巷道頂板的初始下沉。在巷道頂板的彎曲變形過程中，錨索受到的拉應力增加，錨固區(qū)內的煤巖體受到的擠壓支護力也隨之增加。桁架錨索的錨固點位于巷道兩幫上方深部巖體的穩(wěn)定區(qū)，可以對壓力拱施加壓力，促使壓力拱更加穩(wěn)定。

根據(jù)壓力拱以及桁架錨索的力學特點，建立力學模型，如圖所示：

壓力拱下方巖層的范圍可由下式得出：

      （1）

壓力拱下方巖塊的重力Q為

 （2）

其中為上覆巖層容重。分析表明頂板巖層欲得到主動有效控制，必須使施加于桁架錨索結構錨固端的預緊力F不小于其控制范圍內的外力，即

     (3)

其中為桁架錨索與水平面之間的夾角。從式(3)可以得到錨索預緊力的計算方程。

3 支護方案和效果

3.1應用情況

大量的工程實踐證明，桁架錨索是近距離煤層巷道最有效的支護方式，以高強度錨桿為主體支護的聯(lián)合支護是控制圍巖變形最有效、最經(jīng)濟的手段。所以，4202巷選擇桁架錨索、錨桿、鋼帶、鋼筋托梁、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護方式。

1. 頂板支護

   錨桿形式和規(guī)格：桿體采用20# 左旋無縱筋螺紋鋼，長度為2000mm，桿尾螺紋為M22mm。

   托板：采用拱型高強度托板，托板規(guī)格為100×100×10mm。

   W形鋼帶規(guī)格：厚度為3mm，寬度為150mm，長度為2800mm。

   金屬網(wǎng)規(guī)格：采用金屬網(wǎng)片護頂，網(wǎng)片規(guī)格為1500×2500 mm，網(wǎng)格規(guī)格為100×100mm。網(wǎng)間搭接長度不小于100mm，用雙股14#鉛絲按不大于300mm的間隔連接牢固。

   錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支樹脂藥卷，一支規(guī)格為K2330，另一支規(guī)格為Z2330。鉆孔直徑為28mm。

   錨桿布置：錨桿排距×間距= 800×800mm，每排4根錨桿。

   錨桿角度：頂板所有錨桿與頂板成90°。

   桁架錨索：由兩根錨固鋼絞線和一根連接鋼絞線組成，鋼絞線直徑為f17.8mm，錨固鋼絞線長度為2600mm，連接鋼絞線長度為2800mm。鉆孔直徑為28mm，采用加長錨固，使用兩支樹脂藥卷，一支規(guī)格為K2330，另一支規(guī)格為Z2360。每2排錨桿布置1排桁架錨索，間距1600mm，錨固鋼絞線與鉛垂線成30°。連接鋼絞線必須壓在W形鋼帶上。用雙孔環(huán)行連接器連接錨固鋼絞線與連接鋼絞線。并將以上參數(shù)代人式（3）得預緊力為105.4KN，因此設計預緊力為120 KN能有效防止冒落拱下方的巖石冒落。

   2）巷幫支護

   錨桿形式和規(guī)格：桿體采用18#左旋無縱筋螺紋鋼，長度為1800mm，桿尾螺紋為M20mm。

   托板：采用拱型高強度托板，托板規(guī)格為100×100×10mm。

   W形鋼帶規(guī)格：厚度為3mm，寬度為150mm，長度為2800mm。

   鋼筋托梁規(guī)格：由f12的鋼筋焊接而成，寬度為60mm，長度為2800mm。

   金屬網(wǎng)規(guī)格：采用金屬網(wǎng)片護幫，網(wǎng)片規(guī)格為1500×2500，網(wǎng)格規(guī)格為100×100mm。網(wǎng)間搭接長度不小于100mm，用雙股14#鉛絲按不大于300mm的間隔連接牢固。

   錨固方式：樹脂加長錨固，采用一支樹脂藥卷，規(guī)格為Z2360。鉆孔直徑為28mm。

   錨桿布置：錨桿排距×間距= 800×800mm，每幫每排布置4根錨桿。

   錨桿角度：靠近頂板及底版的巷幫錨桿安設角度為與水平線成10°。

   支護布置如(圖2)所示

    

    

    

   圖2  桁架錨索支護參數(shù)布置

    

   3）支護材料

   ① 錨桿

   錨桿桿體為左旋無縱筋螺紋鋼筋，專用錨桿鋼材，屈服強度大于400Mpa，延伸率為大于15%。頂板錨桿的桿體公稱直徑為f20mm，桿尾螺紋規(guī)格為M22mm。幫錨桿的桿體公稱直徑為f18mm，桿尾螺紋規(guī)格為M20mm。桿尾螺紋均采用滾壓加工工藝成型，配套高強度拱型托板、高強度螺母、減磨墊圈及球形墊圈，力學性能及結構相互匹配。

   ② W形鋼帶

   厚度為3mm，寬度為150mm，外形尺寸與高強度拱型托板相互配套。

   ③ 鋼筋網(wǎng)片（金屬網(wǎng)片）

   金屬網(wǎng)均采用機織菱形金屬網(wǎng)，材料為10＃鉛絲，金屬網(wǎng)片規(guī)格為2500×1500，網(wǎng)孔規(guī)格為100×100mm。

   ④ 錨索

   錨索為7股高強度鋼絞線，公稱直徑為f17.8mm，強度級別1860MPa，最低破斷載荷為353kN，延伸率為3.5%。鋼絞線連接器為雙孔環(huán)行連接器。

   ⑤ 鋼筋托梁

   鋼筋托梁由f12的鋼筋焊接而成，長2800mm，寬60mm。按裝錨桿方孔：長×寬=36×36mm。

   4）支護效果

   4202巷道施工后及時安裝測站，測量巷道表面圍巖位移的變化情況。觀測正位于巷道中部，測得圍巖位移隨掘出時間規(guī)律。如(圖3)所示。

    

    

   圖3  巷道圍巖變形量隨時間變化規(guī)律

   在觀測的1個月中，兩幫最大移近量小于164mm，頂板最大下沉量小于235mm。巷道初期收斂速度比后期收斂速度要大，兩幫經(jīng)過10天左右巷道收斂速度就趨于穩(wěn)定，頂板需要較長時間，經(jīng)過20天左右時間以后才趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場實踐證明巷道圍巖控制效果較好。

    

   4  結論

   開采動壓影響巷道、近距離煤層巷道支護是大同煤礦集團公司的兩大支護技術難題，同時受開采動壓和近距離影響的巷道支護更是難上加難，我們通過桁架錨索支護技術，攻克了開采動壓下近距離煤層巷道支護技術難題。小峪礦南Ⅱ盤區(qū)4202巷采用桁架錨索支護技術，既緩減了南Ⅱ盤區(qū)接替緊張的局面，又使巷道支護實現(xiàn)了安全、經(jīng)濟、快速的目的。

4.1 桁架錨索與普通錨索相比，具有以下優(yōu)點：

1）桁架錨索的錨固點為巷道兩肩窩深部巖體，十分可靠，水平預緊力可以改善頂板的應力狀態(tài)，可以消除離層。

2）桁架是通過拉緊的鋼絞線與頂板形成線或面接觸，作用范圍大，加固效果好；

3）鋼絞線抗剪性能強，能夠緩解水平應力導致的頂板支護結構的剪切破壞；

4）錨固深度一般只需要3.0～4.0m，施工方便。

4.2 推廣應用前景

大同礦區(qū)隨著開采程度和深度的增加，近距離煤層巷道和開采動壓影響巷道越來越多，支護難度也越來越大，以往先是采用一般的錨桿錨索支護方式來對付，然后無限制地增加支護的密度和剛度，既不安全，又造成了巨大的經(jīng)濟損失。通過在小峪礦南Ⅱ盤區(qū)4201巷試驗，桁架錨索具有很好的支護機理，所以在大同礦區(qū)具有廣闊的推廣應用前景。

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作者簡介：王志剛（1979-），男，山西原平人，助理工程師，大學本科，2003年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學采礦工程專業(yè)，從事煤礦生產技術管理工作。

Tel：0352-7868358  13223627243

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