9104 運輸巷復合頂板支護技術研究

白樹杰

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

新元煤礦9104 工作面平均埋深為500m，工作面走向長1217.4m，傾斜長230.8m，所采9#煤層平均厚度3.8m，傾角1°～5°，平均2°，煤層中含2～3層泥質夾矸，厚度一般為0.20～1.00m 左右。9104工作面采用雙巷布置，其中9104 運輸巷沿9#煤層頂板掘進，凈寬5.0m，凈高3.8m，掘進總長度為1322m，采用鋼筋鋼帶+金屬網+錨桿+錨索聯合支護。頂板每排打5 根錨桿，間排距為1m×1m，錨索采用三花布置，即第一排在巷中線兩側1.8m 處分別布置一根，第二排在巷中布置1 根，錨索排距均為1m。巷幫每排打4 根錨桿，間距為900mm，排距為1000mm。在支護過程中所使用的錨桿型號均為Ф20×2400mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨索型號均為Ф17.5×6400mm 的預應力鋼絞線。巷道斷面支護如圖1 所示。

圖1 巷道斷面支護圖

2 巷道圍巖原位實測

2.1 巷道頂底板圍巖賦存情況及強度測試

在9104 運輸巷頂底板選取合適的位置進行打鉆取芯，將所取巖芯進行加工后對其密封并帶回實驗室，通過NSY-500 型液壓機對各巖層試塊的圍巖物理力學參數展開測試，如表1 所示。

表1 巷道頂底板圍巖賦存狀況及力學參數統計表

從表中看出9104 運輸巷頂板為復合頂板。直接頂為砂質泥巖，該巖層層厚僅有1.9m，且其強度與同類巖層強度相比較低，裂隙較為發育。該巖層之上為0.8m 的軟弱夾層，該夾層為泥巖。軟弱夾層之上則分別覆蓋一層約2.8m 的細粒砂巖和1.3m的砂質泥巖，這兩層圍巖的強度均低于同類巖層。砂質泥巖之上則為8.6m 的粉砂巖，經測試該巖層強度較高，圍巖完整性較好。

2.2 巷道圍巖可錨性測試分析

錨固力是決定錨桿支護成功與否的關鍵因素，錨固力大小的判定不能單純地依賴于理論計算，而需要在現場對其進行實際測試，目前最常用的方法為拉拔力試驗。為了確定該巷道錨桿（索）在復合頂板條件下的可錨性，在9104 運輸巷掘進斷面的頂板對錨固力展開測試，測試結果如表2、表3 所示。

表2 巷道錨桿可錨性測試結果

表3 巷道錨索可錨性測試結果

根據擠壓加固拱理論，錨桿錨固力應不小于7t，錨索錨固力應不小于15t。9104 運輸巷的圍巖可錨性測試結果顯示，該巷道錨桿錨固力在8t 以上，錨索錨固力在20t 以上。由此可知該巷道圍巖可錨性較好，可選擇錨桿（索）對其進行聯合支護。

2.3 錨桿（索）預緊力現場監測

錨桿（索）預緊力的施加是否合理對于巷道圍巖穩定性具有重要影響。若預緊力過小，各巖層之間則較為松散，不能形成有效的承載結構；若預緊力施加過大，則易使圍巖發生擠壓破碎，頂板控制難度反而加大。為了掌握該巷道錨桿（索）預緊力的施加情況，對80 根錨桿、60 根錨索的預緊力施加情況進行了現場監測。錨桿預緊力監測結果如圖2 所示。

圖2 錨桿預緊力分布柱狀圖

圖2 為錨桿預緊力分布柱狀圖。從圖中可以看出錨桿預緊力主要分布在45～50kN 之間，分布在該范圍內的錨桿達到了47 根，占到了總錨桿數的58.8%；預緊力分布于50～55kN 之間的錨桿根數為16 根，僅次于預緊力分布在45～50kN 之間的錨桿根數；預緊力超過60kN 的錨桿根數最少，僅有8 根，僅占錨桿總根數的10%。

從圖3 中可以看出錨索預緊力主要分布在150～160kN 之間，處于該范圍內的錨索達到了43根，占到了錨索總根數的71.7%；預緊力分布于160～170kN 之間的錨索為10 根；預緊力達到170kN以上的錨索僅有7 根，僅占錨索總根數的11.7%。

圖3 錨索預緊力分布柱狀圖

根據錨桿（索）預緊力的現場監測結果來看，錨桿（索）所施加的預緊力變化幅度較大。其中錨桿預緊力主要集中在45～50kN 之間，錨索預緊力主要集中于150～160kN 之間，錨桿（索）預緊力普遍偏低。

3 9104 運輸巷變形破壞原因

（1）9104 運輸巷頂板為復合頂板，上覆巖層數量較多，除粉砂巖外，每一層巖層的厚度均比較薄，層間連接性較差。在距頂板2.7m 處有一層軟弱夾層，正好處于錨桿錨固段上方，導致錨桿的錨固基礎較差，對頂板難以形成強有力的支護。

（2）巷道頂板的泥巖、砂質泥巖以及細粒砂巖與同類巖層相比，其強度要低許多，且巖層內部裂隙較為發育。距頂板表面6.8m 深處范圍內的圍巖其強度整體偏低，6.8m 以上的圍巖強度相對較高，圍巖完整性較好，而該巷道采用的錨索長度僅有6.4m，錨索的錨固基礎同樣較差。

（3）9104 運輸巷頂板具有較強的可錨性，且從錨桿（索）預緊力的監測結果來看，該巷道錨桿（索）預緊力的施加普遍偏低且缺乏規范化管理，不能對頂板形成及時有效的支護。

4 支護方案優化

（1）將錨桿間排距調整為900mm×900mm，錨索改為三二支護。即第一排在巷中布置一根錨索，距巷中線左右2m 處各布置一根，第二排在距巷中線左右1m 處各布置一根錨索，以此循環，錨索排距調整為900mm，巷幫錨桿間排距不變。

（2）在對巷道進行支護的過程中，將頂板和幫部的錨桿長度統一加長至3m，所施加的預緊力統一增加至80kN，頂板錨索長度則統一加長至7m，所施加的預緊力統一增加至170kN。對預緊力施加的過程中應進行嚴格的規范化管理。優化后錨桿（索）的布置方式如圖4 所示。

圖4 支護優化設計圖

5 現場監測

對原支護的巷道圍巖變形進行30d 監測，監測期內巷道頂底板收斂量達到了226mm，兩幫移近量達到了327mm。采用優化方案支護后，30d 監測期間，頂底板收斂量下降36mm，兩幫移近量下降55mm，與原支護方案相比分別減少了84.1%和83.2%，巷道圍巖穩定性得到了較好的控制。

6 結論

（1）9104 運輸巷頂板為復合頂板且含有軟弱夾層，距頂板6.8m 范圍內圍巖強度較低，再加之錨桿（索）支護強度較低，錨固基礎較差，在這些因素的共同作用下，巷道變形破壞嚴重。

（2）針對巷道變形破壞的原因，提出加長錨桿（索）長度+增加預緊力+減少錨桿（索）間排距的聯合控制措施對該巷道進行治理。現場監測結果表明，在優化方案的支護下巷道圍巖穩定性得到了有效的控制。