2S202-1 工作面回采巷道復合頂板支護技術研究

連曉強

（山西鄉寧焦煤集團臺頭煤焦有限責任公司，山西 鄉寧 042100）

1 工程概況

臺頭礦2S202-1綜采工作面位于運輸大巷以南，北為采空區，西、南為保安煤柱，東側為2S202 工作面。工作面走向長度為332 m，傾向長度為75 m，工作面埋藏深度為189 m。工作面開采2#煤層，煤層厚度為2.8～3.38 m，平均厚度為3.0 m，煤層結構簡單，平均含有兩層夾矸。煤層頂底板巖層特征見表1。2S201-1 工作面回風順槽沿2#煤層底板掘進，掘進斷面寬×高=4.6 m×3.2 m。由于巷道頂板巖層為復合軟弱頂板，為保障巷道圍巖的穩定，特進行圍巖控制技術研究。

表1 煤層頂底板巖層特征表

2 復合頂板“拱-梁”支護與控制對策

2.1 “拱-梁”支護結構

針對復合層狀頂板的巷道圍巖，運用剛性梁理論中“拱-梁”承載結構模型進行支護設計時，采用組合梁力學模型進行錨桿支護較為合理；當巷道內采用錨桿（索）支護時，由于錨桿（索）在圍巖體內預應力的擴散作用，從而有效增強了復合頂板的整體剛度和強度[1-2]，具體“拱-梁”結構模型如圖1。

圖1 “拱-梁”承載結構模型示意圖

錨桿支護中采用的組合梁理論認為，通過對錨桿施加預應力的方式能夠有效降低復合頂板各巖層間的相互錯動作用，錨桿能夠有效地將頂板各巖層組合成厚度更大的組合頂板，提升頂板的整體性，從而極大程度上減小頂板冒落拱的高度[3-4]。巷道頂板巖層在采用預應力錨桿索加固后，其內聚力的等效表達式為：

式中：c'為錨桿支護后巖體的內聚力，MPa；c0為無錨桿時巖體的內聚力，MPa；s為錨桿的屈服強度，MPa；n為錨桿數量；δs為試件重量，kg；d為錨桿直徑，mm；φ為巖體內摩擦角，（°）；

進一步結合摩爾-庫倫準則能夠得出，頂板在采用錨桿支護后巖體的抗壓強度為：

式中：δc'為頂板巖層采用錨桿加固后的抗壓強度，MPa；其余參數的含義同上。

另一方面，頂板采用錨桿支護后頂板巖層的普式系數也會出現一定程度的變化，錨桿支護后頂板巖層的普式系數表達式為：

式中：f'為錨桿支護后頂板巖石的堅固性系數；其余參數的含義同上。

綜合上述分析可知，巷道頂板采用錨桿支護后，頂板圍巖的堅固性系數會明顯增大，頂板巖層冒落拱的高度也會逐漸降低，頂板巖層的整體承載能力會得到提高。

巷道僅采用錨桿支護時，無法有效的控制圍巖的變形，由于錨桿的長度有限，導致錨桿的支護作用只能在巷道頂板淺部圍巖內形成組合梁結構，錨桿在巖層內僅僅起到支護主體的作用。當巷道頂板巖層采用錨索支護時，錨索能夠作為有效的支護結構補償材料，能夠有效地在錨網支護中的薄弱環節形成加強支護，并能夠在錨桿支護下淺部組合梁結構與深部巖層間有效連接，從而整體提升頂板巖層的承載能力，實現保障巷道圍巖穩定的目的。

2.2 圍巖控制對策

基于2S202-1 回風順槽復合頂板巷道圍巖的具體地質條件，結合“拱-梁”支護結構原理及錨索支護原理，考慮復合頂板巖層內存在較多的薄層，提出巷道圍巖控制技術采用高強錨桿索支護。巷道支護時首先通過錨桿+錨網的方式對淺部圍巖體的變形破壞進行限制[5-6]，隨后通過錨索的懸吊作用將錨桿作用下形成的淺部承載結構懸吊至穩定的巖層內。由于回風順槽頂板巖層軟弱層較厚，處于錨桿的錨固區域，因此在該支護體系中錨索起到主要的承載作用，而錨桿支護起到次要的補償支護作用。

3 支護技術

3.1 支護方案

（1）頂板支護。錨桿采用左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿，規格參數為Φ22 mm×2400 mm，間排距為700 mm×800 mm，每排布置7 根錨桿，錨桿配套使用M 型托盤，托盤規格為長×寬×高=140 mm×140 mm×10 mm，兩頂角處的錨桿與頂板成15°布置，其余錨桿均垂直于頂板布置，錨桿預緊扭矩為300 N·m。頂板錨索采用1×7 股高強度鋼絞線，規格參數為Φ17.8 mm×6300 mm，錨索布置方式為“3-2-3”，間排距為1500 mm×800 mm，錨索托盤采用鼓形托盤，規格為長×寬×高=400 mm×400 mm×16 mm，錨索均垂直于巷道頂板布置，錨索預緊力為150 kN。頂板表面采用金屬網和雙抗網進行護表，雙抗網布置于內部，金屬網布置于外側，網片間的搭接長度為100 mm，采用鋼帶進行頂板各錨桿（索）間的連接。

（2）兩幫支護。幫部錨桿規格參數同頂板錨桿，幫部錨桿的間排距為700 mm×800 mm，巷道左幫和右幫每排均布置5 根錨桿，巷道肩窩和底角處的錨桿分別向上和向下15°布置，其余錨桿均垂直于巷幫布置，錨桿預緊扭矩為250 N·m，幫部表面同樣采用金屬網和雙抗網進行護表，采用M 型鋼帶進行錨桿間的連接。

具體2S202-1 回風順槽圍巖支護布置形式如圖2。

圖2 2S202-1 回風順槽支護布置方式示意圖（mm）

3.2 效果分析

2S202-1 回風順槽掘進期間，在巷道掘進迎頭處布置巷道表面位移觀測站，采用十字布點法進行頂底板變形量和兩幫移近量的監測分析。回風順槽掘進期間，每間隔30 m 設置一個巷道表面位移監測站，巷道表面位移每2 d 進行一次觀測。現取1#測站和2#測站的觀測數據進行分析，1#和2#測站圍巖變形曲線如圖3。

分析圖3 可知，1#測站巷道表面位移主要在掘進的初期變化較為劇烈，圍巖變形主要集中在巷道掘出后的0～10 d 內。在巷道掘出后的0～5 d 內圍巖變形速率較大；在巷道掘出時間5～10 d 內，圍巖變形速率開始降低，圍巖變形趨于平緩；當巷道掘出10 d 后，圍巖變形量基本達到穩定狀態，圍巖變形量不再增大，最終頂底板最大移近量為26 mm，兩幫最大移近量為33 mm。2#測站圍巖變形速率曲線基本與1#測站圍巖變形曲線相同，同樣在巷道掘出后10 d 后圍巖達到穩定狀態，頂底板移近量和兩幫移近量的最大值分別為18 mm 和26 mm。據此可知，回風順槽在現有高強錨桿索支護方案下，有效控制了圍巖變形，保障了圍巖的穩定。

圖3 巷道表面位移曲線圖

4 結論

根據2S202-1 工作面回風順槽復合頂板的具體特征，通過分析錨桿“拱-梁”支護結構和錨索支護原理，確定巷道圍巖控制對策為高強錨桿索支護，結合巷道圍巖特征，具體進行錨桿索各項支護參數的設計。根據巷道掘進期間的圍巖變形量觀測數據可知，支護方案有效地控制了圍巖的變形，保障了圍巖的穩定。