11-104 工作面軟弱頂板頂幫協同支護技術研究

王飛飛

（山西焦煤集團介休正益煤業有限公司，山西 介休 032000）

1 概況

正益煤業11-104 工作面位于一采區，工作面南鄰西運輸大巷，西鄰西翼回風下山，東部為未開采的實體煤，北鄰F17 正斷層（落差10.6 m）。工作面開采11#煤層，煤層均厚為2.5 m，平均傾角為10°，含有一層夾矸，煤層頂底板巖層特征見表1。11-104 工作面運輸順槽沿煤層底板掘進，巷道斷面為矩形，掘進寬×高=4.0 m×3.0 m。由于巷道頂板巖層較為軟弱，頂板屬于軟弱頂板，為有效保障巷道圍巖的穩定，需進行軟弱頂板圍巖控制技術研究。

表1 頂底板巖層特征表

2 頂幫協同支護技術

2.1 復合軟弱頂板破壞機理

在軟弱圍巖內開掘巷道時，巷道在無支護條件下，頂板及兩幫煤體的變形空間關系如圖1（a）。從圖中能夠看出，部分頂板發生一定的離層變形，且離層變形的頂板巖層會擠壓兩幫煤體，兩幫煤體在受到上覆離層頂板壓力的作用下出現一定的極限塑性區[1-3]。

圖1 巷道無支護下圍巖變形及力學模型示意圖

為有效分析軟弱復合頂板巷道的破壞機理，取單位為1 的巷道進行受力分析，建立復合軟弱頂板巷道力學模型如圖1（b）。圖中l 為巷道的寬度，m；a1為幫部極限塑性區的寬度，m；q1為幫部塑性擠壓變形后的殘余抗壓強度，MPa；q0為頂板巖層受到的覆巖壓力，kN。根據建立的力學模型，通過力學推導巷道的力學平衡條件為：

由于模型為對稱結構，通過對受力模型的右半部分進行受力分析，能夠得出直接頂巖層各截面上的彎矩為：

式中：M為直接頂受到的最大彎矩值，N·m；其余各項符號的含義同上。從公式（2）中能夠看出，巷道直接頂各巖層最大彎矩在x=0 或l/2 的位置處取得，即巷道最大彎矩出現在巷道肩角或中間位置[4-5]，巷道最大彎矩處的最大彎曲正應力的表達式為：

式中：W=h2/6；h為巖層的厚度，m；σmax為巷道頂板最大彎矩處受到的最大彎曲正應力，MPa。

從式（2）中能夠看出，巷道頂板最大彎矩處受到的最大彎曲正應力隨著幫部極限塑性區寬度的增大而逐漸增大。若為有效地加強幫部支護，此時巷道兩幫塑性區的發育寬度會逐漸增大，隨著兩幫塑性區寬度的擴大，巷道頂板所受的最大拉應力σmax會持續增大，頂板巖層所受的拉應力會增大至頂板出現拉伸破壞現象[6]。據此可知，若要有效保障復合軟弱頂板的穩定，可通過增大巷道幫部圍巖體支護強度的方式。

2.2 頂幫協同支護原理

根據上述復合軟弱頂板破壞機理的分析結果可知，針對該類圍巖的巷道進行支護時，由于頂板巖層軟弱，僅從提高頂板巖層支護強度的角度出發較難控制圍巖變形，也需要提高巷道幫部煤巖體的支護強度，使得巷幫在一定程度可分擔頂板巖層承載的荷載，使得巷道在頂板和幫部實現協同支護。復合軟弱頂板采用錨桿+補強錨索的支護形式，可有效強化巷道頂板的強度，且錨索的錨固長度需保障錨固在頂板穩定巖層內，以有效控制頂板巖層中離層現象的出現。巷道幫部采用錨桿+錨索的聯合支護技術，錨桿的主要作用為加強幫部煤體錨固體的強度，錨索通過錨固在深部未塑性變形的區域向淺部煤體內施工高預拉力，一次達到增強煤體強度和承載性能的效果。具體復合軟弱頂板巷道頂幫協同支護技術控制思路如圖2。

圖2 頂幫協同支護控制思路示意圖

復合軟弱頂板巷道圍巖在幫部施工錨桿和錨索后，幫部煤體的強度得到了有效的強化加固，提高了幫部的承載能力，達到間接控制頂板下沉的效果，以此實現復合軟弱頂板巷道幫頂同治的支護效果。

3 支護方案與效果

3.1 支護方案

根據11-104 回風順槽的地質條件，結合頂幫協同支護控制思路，確定巷道采用高強錨網索支護，頂板及幫部均采用錨桿+錨索的支護方式，具體支護參數如下：

（1）頂板支護。錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，型號為HRB335，規格Φ20 mm×2400 mm，間排距800 mm×800 mm，錨桿采用加長錨固，錨固作業時Z2360 和CK2335 樹脂錨固劑各一支，巷道頂角兩錨桿與頂板成15°布置，其余垂直頂板布置，錨桿預緊扭矩為300 N·m；頂板錨索采用1×7股高強鋼絞線，規格Φ21.6 mm×8300 mm，錨索布置形式為“2-2-2”，即每間隔兩排錨桿布置一排錨索，間排距1600 mm×1600 mm，錨索采用一支CK2335 和兩支Z2360 型樹脂錨固劑進行錨固，預緊力為150 kN，錨索均垂直于巷道頂板進行打設，巷道表面鋪設10#鐵絲金屬網進行護表，錨桿索間通過鋼筋梯子梁進行連接。

（2）兩幫支護。錨桿材質、規格參數、錨固形式均同頂板錨桿，間排距為800 mm×800 mm，預緊扭矩為300 N·m，幫部錨索采用1×7 股鋼絞線，規格參數為Φ21.6 mm×4200 mm，幫部錨索同樣采用“2-2-2”布置，間隔兩排錨桿打設2 根錨索，錨索間排距為1400 mm×1600 mm，錨索托盤配套采用300 mm×300 mm×16 mm 的蝶形托盤，錨索預緊力為50 kN，錨桿索間通過Φ16 mm 的鋼筋梯子梁進行連接。

具體11-104 回風順槽錨桿索支護參數如圖3。

圖3 11-104 回風順槽支護布置示意圖

3.2 效果分析

11-104 回風順槽掘進期間，采用十字布點法進行巷道圍巖變形量的觀測分析，巷道每間隔50 m布置一個圍巖變形量觀測點，測點均從掘進迎頭的位置處開始布置，圍巖觀測作業持續進行130 d，基于圍巖變形量的觀測結果得出圍巖變形曲線。現取測點1#和5#的圍巖變形曲線圖進行具體分析，曲線如圖4。

分析圖4 可知，巷道掘進期間，圍巖變形可劃分為三個階段：初始階段、快速變形階段和穩定階段。其中，巷道初始階段為巷道掘出0～10 d，該階段圍巖變形速率相對較低，但圍巖處于持續變形狀態；快速變形階段為巷道掘出11～30 d，圍巖在該階段內變形速率較大，圍巖變形量快速增大；穩定階段為巷道掘出30 d 后，巷道圍巖在該階段內圍巖變形基本不再增加，圍巖變形處于穩定狀態。巷道掘進期間頂底板和兩幫最大移近量分別為76 mm 和119 mm，據此可知，回風順槽頂幫協同支護方案有效保障了圍巖的穩定。

圖4 巷道掘進期間圍巖變形量曲線圖

4 結論

根據11-104 回風順槽的地質條件，通過分析復合軟弱頂板的破壞機理，提出采用頂幫協同支護技術，基于頂幫協同支護的控制思路，具體進行巷道頂板及兩幫錨桿索支護參數的設計。根據巷道掘進期間圍巖變形量的觀測數據可知，巷道圍巖在現有支護方案下，圍巖變形量小，保障了巷道圍巖的穩定。