復合頂板動壓巷道錨桿支護技術的研究

申 鵬

（潞安集團常村煤礦， 山西 長治 046102）

引言

一直以來，煤礦安全生產問題備受企業的關注。影響煤礦安全生產的因素包括有綜采設備的安全性、通風系統的性能以及巷道的支護效果。巷道的支護效果除了采用合理的支護方式外，還與工作面巷道頂板的類型相關。根據工作面巷道頂板特點不同，可分為多層薄層頂板、復合頂板、層厚整體頂板和厚煤層頂板。我國地域遼闊煤礦地質條件各不相同，但絕大多數巷道為復合頂板巷道。復合頂板的載荷屬于動載荷，其支護難度較大。針對復合頂板動壓巷道的支護經歷從棚室支護到錨桿支護的轉變[1]。但在實際生產中，在復合頂板動壓巷道采用錨桿支護后仍出現較大的變形，而動壓為導致巷道出現較大變形的主要原因。因此，為提升復合頂板的支護效果，需對復合頂板動壓巷道進行控制。

1 工程概況

本文以常村煤礦某工作面為研究對象，該煤層工作面呈現東高西低的趨勢，且工作面煤層的最大傾角為8.8°，工作面煤層起伏變化較大。經現場勘測后知，夾矸平均厚度為0.34 m。該工作面煤層頂底板的情況如表1所示。

2 復合頂板巷道圍巖變形機理的研究

2.1 復合頂板特征

復合頂板最顯著的特征為頂板由軟巖層和硬巖層相互間隔組成，其中硬巖層位于頂板上部，軟巖層位于頂板下部。一般情況下，復合頂板下部的軟巖層的厚度小于3 m。而且，復合頂板巖層的抗變形能力較差，容易出現撓曲下沉的現象，從而導致頂板中軟硬巖層出現層離現象，最后導致軟硬巖層的分離[2]。

表1 常村煤礦某工作面頂底板情況

2.2 復合頂板巷道變形機理

工作面巷道在掘進過程中，其圍巖為主要承載結構。如果巷道圍巖未得到合理的支護，當圍巖的應力超過其強度要求時，便會打破巷道圍巖的平衡狀態。盡管巷道圍巖采用了相應的支護結構，但是所采用的支護結構強度無法抵抗巷道圍巖的壓力和變形情況，隨即也會打破巷道的平衡狀態。

巷道圍巖平衡狀態被打破的原理為：在巷道頂板巖層自重的作用下發生彎曲變形，并在巖層的各個截面上分解到一個彎矩，從而加劇了頂板的彎曲變形。頂板的彎曲變形又會進一步加劇巖層的變形，在此惡性循環的基礎上，使得巖層平衡狀態最終被打破[3]。

3 復合頂板動壓巷道支護參數的設計

目前，應用于綜采工作面最為廣泛的支護手段為錨桿（索）支護。錨桿作為支護的主體承擔著抗拉和抗剪的作用。為了提升錨桿（索）的支護效果，還常通過增加巷道鋼帶和托梁等支護手段進行加固處理。為保證所采用巷道支護參數的合理性和有效性，通過理論計算對錨桿支護載荷、承載能力、錨桿的長度和密度、錨索的長度和密度等參數進行核算。

根據工作面圍巖松動圈大小的測定結構，并在結合圍巖物理力學特性和巷道支護參數設計理論以及巷道的斷面形狀的基礎上，對錨桿長度、密度，錨索長度、密度等參數進行設計。

該煤礦工作面巷道的斷面形狀為矩形，結合煤礦其他工作面支護參數的設計經驗，該工作面采用錨桿、錨索、金屬網、梁以及噴的聯合支護方式[4]。

3.1 某工作面外切眼一次切眼

3.1.1 頂板支護

1）錨桿布置：每排6根頂錨桿，錨桿間距800mm，排距1 000 mm。錨桿角度：靠近老塘幫的頂錨桿安設角度與垂線成25°外偏角，其他頂錨桿垂直頂板打設。

2）錨索“小五花”布置，兩根錨索時，靠老塘幫側錨索距老塘幫1 300 mm，間距1 800 mm；三根錨索時，靠老塘幫側錨索距老塘幫1 000 mm，間距1 500 mm。錨索規格為Φ22-1-19-8300 mm，錨索全部垂直頂板打設。

3）雙鋼筋托梁規格型號為：Φ16 mm×4 300 mm×800 mm×120 mm（6眼）。

4）網片規格：4 900 mm×1 100 mm（30 mm×30 mm），10號鉛絲編織，16號鉛絲聯接，雙絲雙扣，孔孔相聯。

3.1.2 巷幫支護

3.1.2.1 老塘幫

1）錨桿布置：幫布置4根錨桿，錨桿間距1 000mm，排距1 000 mm，幫頂角錨桿距離頂板為250 mm，幫底角錨桿距底板為250 mm，幫頂底角錨桿安設角度與垂線成10°外偏角，其他幫錨桿垂直打設。

2）雙鋼筋托梁規格型號為：Φ14 mm×3 200 m×1 000 mm×105 mm（4眼）。

3）網片規格：3 400 mm×1 100 mm（30 mm×30 mm），10號鉛絲編制，16號鉛絲聯接，雙絲雙扣，孔孔相聯。

3.1.2.2 回采幫

1）錨桿布置：每排布置4根玻璃鋼錨桿（Φ18mm×2 000 mm），錨桿間距1 300 mm，排距1 000 mm。幫頂角錨桿距離頂板為400 mm，幫底角錨桿距底板為500 mm。

2）打眼木托板：Φ160 mm×400 mm。

3.2 某工作面外切眼二次切眼

3.2.1 頂板支護

1）錨桿布置：每排5根頂錨桿，錨桿間距800mm，排距1 000 mm，靠近回采幫的頂錨桿安設角度與垂線成25°外偏角，其他頂錨桿垂直頂板打設。

2）錨索每排兩根布置，間距分別為1 500 mm、1 800 mm。間距1 500 mm時，靠回采幫側錨索距回采幫1 000 mm打設；間距1 800 mm時，靠回采幫側錨索距回采幫1 300 mm打設，錨索規格為Φ22-1-19-8300 mm，錨索全部垂直頂板打設。

3）雙鋼筋托梁規格型號為：Φ16mm×3500mm×800 mm×120 mm（5眼）。

4）網片規格：3 900 mm×1 100 mm（30 mm×30 mm），10號鉛絲編織，16號鉛絲聯接，雙絲雙扣，孔孔相聯。

3.2.2 回采幫

1）錨桿布置：每排布置4根玻璃鋼錨桿（Φ18mm×2 000 mm），錨桿間距1 000 mm，排距1 000 mm。幫頂角錨桿距離頂板為250 mm，幫底角錨桿距底板為250 mm。

2）打眼木托板：Φ160 mm×400 mm。

3）網片規格：3 400 mm×1 100 mm尼龍網。用16號鉛絲聯接，雙絲雙扣，孔孔相聯。

4 支護效果的驗證

為了驗證上述支護方案是否能夠達到較為理想的支護效果，在巷道內每隔30 m設定一個觀測點對頂板離層量、表面收斂量等參數進行監測。具體監測結果如下：

1號監測點頂板的最大沉降量為34 mm，最大沉降速度為7 mm/d；2號監測點頂板的最大最大沉降量為17 mm，最大沉降速度為4 mm/d；3號監測點頂板的最大最大沉降量為52 mm，最大沉降速度為11 mm/d；4號監測點頂板的最大最大沉降量為45 mm，最大沉降速度為18 mm/d。

綜上所述，在對四個監測點長達120 d的監測中發現，巷道頂板的最大沉降量為52 mm，最大沉降速度為18 mm/d。上述變形量及變形速度均在允許范圍之內，且滿足《煤炭安全規程》的巷道支護變形要求[5]。即說明本文針對復合頂板動壓巷道所設計的支護參數是合理的，可對巷道進行有效支護。

5 結語

巷道支護效果和質量一直以來是影響工作面是否能夠安全生產的關鍵，也是最為直接的影響因素。尤其是針對特殊頂板巷道而言，由于其頂板的動載荷特性相對復雜，為其支護效果帶來了一定的難度。因此，針對復合頂板動壓巷道而言，為保證其巷道支護效果和質量采用錨桿+錨索+金屬絲網+金屬梁的聯合支護方式，并根據巷道形狀及動載荷特性設計錨桿、錨索的長度和密度，設金屬網網格的尺寸和金屬網的面積，為工作面的安全生產奠定扎實的基礎。此外，還可采用試驗巷道監測的手段驗證所設計支護參數的有效性，進而判斷是否需對支護參數進行優化。