復合頂板下錨網索支護參數優化研究

楊文峰　馮福現　李國清

摘要：文章通過理論分析、耦合支護效果分析及工程支護效果分析，分析了復合頂板巷道變形破壞機理，對相應的錨網索支護技術參數、支護耦合參數進行了優化，提出針對中國平煤神馬集團平煤股份九礦己16-17煤層復合頂板下的錨網索支護參數及耦合支護參數，對復合頂板錨網索支護參數進行優化，提高復合頂板錨網索支護效果。

關鍵詞：復合頂板；支護參數；三徑匹配；優化設計；錨網索支護 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD353 文章編號：1009-2374（2016）02-0155-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.076

復合頂板巷道在煤礦中有廣泛的分布，復合頂板的支護是國內外巷道支護的難題之一，復合頂板的變形破壞主要是因錨桿支護的主動支護作用較差，復合頂板各巖層的節理裂隙發育，錨網索支護由于初始錨桿（索）初始預應力低，現場施工要求不嚴，錨桿（索）支護初始預緊力不足，層理發育、關鍵部位支護變形嚴重，加之材料管理混亂，鉆頭、錨桿、錨固劑三徑不匹配等各種原因，使復合頂板的初期離層量和變形量較大，進而頂板的穩定性持續惡化，最終導致復合頂板的大變形以至破壞。為此采用高預應力錨桿（索），提高錨桿（索）的初始預緊力以充分發揮錨桿（索）的主動支護作用，采用W、M鋼帶或梯形梁、工字鋼組合梁、護板幫等耦合支護，提高現場施工管理，為了研究錨網索耦合支護技術在復合頂板下的適用性，對我礦己16-17煤層復合頂板原錨網索支護出現的問題及破碎原因進行分析，對我礦己16-17煤層復合頂板錨網索支護參數進行優化，確定具體的耦合支護參數。

1 工程概況

我單位現施工的己16-17-22051風機兩巷采深較大（-518～-630m），巷道設計斷面為梯形斷面，斷面尺寸凈寬4.6m、凈高3.3m，頂板傾角16°～25°。巷道為全煤巷，沿煤層頂板掘進，其斷面頂、底板及兩幫圍巖主要為泥巖、砂質泥巖和煤，圍巖較為松軟，巷道頂板及兩幫壓力較大，受鍋底山斷層影響，工作面隱伏地質小構造多，局部巷道頂板不穩定。

2 原巷道支護情況及支護效果分析

原巷道采用Φ20/Φ22×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（強度335MPa），Φ15.8/Φ17.8×7000mm鋼絞線。原巷道部分巷道變形嚴重，巷道重復維修工程量大、維修成本高，嚴重制約我礦掘進單產單進水平，增大了維修人力成本投入及材料投入，一次支護變形嚴重后二次支護難度加大，后期維修成本高。

錨桿（索）的初始預應力過小、長度有限，使得錨網索支護的主動支護效果得到很大降低，錨桿支護不能有效發揮作用，圍巖變形更加顯著。一旦受到外部因素擾動，巷道內容易形成應力集中，表現為較大的水平應力。該構造應力使巷道圍巖沿著各自區域內的弱面破壞，彈性區一部分進入塑性狀態，擴大了塑性區的范圍，使得錨桿在現有長度條件下，不能深入到關鍵承載圈，削弱了錨桿的錨固效果。如果一次錨固效果不佳，使得圍巖穩定性遭到很大破壞，增大了后期巷道的支護難度。

3 巷道支護優化效果

經施工期間，錨桿（索）長度及強度的不斷加強，錨桿從Φ20×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（強度335MPa）到現采用Φ22×2600mm高強讓壓錨桿（強度500MPa），錨索從Φ15.8×6800mm鋼絞線到現采用Φ22×7000mm鋼絞線，到梯形梁、W鋼帶、護幫板（舊U型鋼）的投入，支護效果得到了很大提高，促進了我礦高度、高預應力錨網索支護材料的投入，也取得了一定的效果，優化后的支護參數及耦合支護在我礦得到了進一步的使用，降低了我礦巷道維修成本及投入。

4 巷道支護參數及耦合參數優化

巷道支護情況的好壞主要取決于錨桿支護形式和參數的設計。采用錨網索支護時，在圍巖出現破壞、變形之前，錨桿主要通過提供徑向約束和切向約束對錨固范圍內的頂板巖層產生圍壓，提高圍巖中弱面的抗剪強度和殘余強度，增強錨固范圍內巖層承受水平構造應力的能力，避免應力向上轉移形成新的破壞區，錨索主要起懸吊作用，對頂板進行深部錨固，將錨桿支護形成的組合拱承載結構傳遞到堅硬頂板中。這樣錨桿與錨索就組成了耦合支護系統，在巷道頂板形成了耦合承載區，梯形梁、W鋼帶、護幫板（舊U型鋼）起均衡錨桿受力和提高整體支護作用，提高巷道支護的支護效果。頂部錨桿支護材料選取，按加固拱原理及懸吊理論驗算確定錨桿支護參數如下，錨桿長度按懸吊理論計算：

4.1 錨桿長度L

錨桿長度的計算公式：

L=L1+kLp+L2

式中：

k——安全系數，取1.3

L1——錨桿外露長度，取0.1～0.4m

Lp——塑性區寬度，根據現場實測，頂板松動圈厚度取1.3～1.4m

L2——錨桿錨入圍巖松動圈之外的深度，取0.4m

實際采用Φ22×2600mm高強讓壓錨桿（強度500MPa）。

4.2 錨固力N

N=π/4·（d2δ屈）

式中：

δ屈——桿體材料屈服強度，500MPa

d——桿體直徑，22mm

N=π/4×0.0222×500×106=190kN

4.3 錨桿間排距

錨桿間距D≤1/2L=1/2×2600=1300mm，取800mm。

錨桿排距L0=nN/（2kraL2）

式中：

n——每排錨桿數，7根

N——設計錨固力，150kN

k——安全系數，取3

r——上覆巖層平均容重，24kN/m3

a——巷道掘進寬度之半，2.3m

根據參數計算，L=7×190×103/（2×3×24×103×2.3×1.5）=2.677m，取800mm。巷道兩幫錨桿間排距采用800×800mm，符合支護要求。

以上計算為錨桿支護驗算，不含錨索、W鋼帶，為加強巷道支護強度增加錨索、W鋼帶耦合支護。

過構造帶期間，由于巷道頂板不穩定，巖層層理發育，復合頂板增厚，如支護效果仍不理想，可以使用已經得到支護效果的錨索工字鋼組合梁耦合錨桿支護，提高巷道的支護效果。

優化后支護效果，由于有了高預應力長錨桿、長錨索的使用，極大地增加了錨網索支護的主要支護系數，高預應力錨索的使用調動了深部穩定巖石的錨固強度，同時由于W鋼帶、護幫板的耦合支護效果，巷道支護整體性得到了極大的增強，現場支護效果明顯，巷道圍巖變形顯著減小，巷道斷面的強烈變形得到有效控制。

5 施工期間

施工期間，發現由于管理不完善，現場職工素質有待提高，發現鉆頭、錨桿（索）、錨固力三經匹配落實較差，經現場取樣，三經不匹配，鉆頭過大，錨固劑過細，都使錨固效果得到很大的降低，所以施工期間加強現場管理，一般桿體直徑與鉆孔直徑的孔徑差應控制在6～10mm，鉆孔直徑與樹脂藥卷直徑之差應為4～8mm。提高錨桿支護與巖層的整體性，提高初始錨固力，以確保施工期間高預應力錨桿（索）支護效果。

6 支護參數得到優化后效果

（1）充分調動了深部穩定巖石的錨固強度；（2）高預應力預緊力支護材料的投入增大了初始錨固強度，提高了初始圍巖的穩定程度和初始的錨固強度；（3）耦合支護的使用使巷道的支護整體性得到了極大增強，減少了巷道圍巖變形，巷道斷面的強烈變形得到了很好的控制；（4）加強對施工現場的管理，在相同材料投入的情況下，提高了錨網索支護的支護效果。

7 結語

（1）高預應力預緊力材料的投入，增大了錨桿的初始錨固效果，提高錨網索支護的預緊力可以提高巷道的支護強度。（2）組合構件的支護作用主要表現為：錨桿預應力和工作阻力擴散作用；支護錨桿間圍巖，改善圍巖應力狀態；均衡錨桿受力和提高整體支護作用；減少錨桿預應力損失的作用。（3）耦合支護的使用提高了巷道支護的整體性，可以極大地降低巷道支護變形，提高巷道整體支護效果。

參考文獻

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（責任編輯：蔣建華）