軟弱復合頂板巷道錨網支護技術研究及應用

周凱

【摘 要】 文章針對軟弱復合頂板巷道易發生離層、冒頂的問題，以山西某礦4301運輸巷為研究對象，采用數值模擬的研究方法分析了不同軟弱夾層位置對巷道圍巖變形的影響規律，提出了“高強預應力錨網索+補強錨桿”的聯合支護方案，并進行了參數設計。現場應用結果表明：巷道掘進期間，巷道頂底及兩幫相對移近量最大值分別為83.17mm和176.55mm，圍巖變形得以良好控制。此研究可為類似軟弱復合頂板巷道支護提供借鑒。

【關鍵詞】 軟弱復合頂板;夾層層位;數值模擬;圍巖控制

【中圖分類號】 TD353 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2022）01-0004-03

軟弱復合頂板是指掘進巷道頂板巖層由多層軟弱且厚度較薄巖層或軟弱夾層組成。在采掘擾動影響下，巷道圍巖易產生離層、冒頂和兩幫較大變形，導致支護結構失效，嚴重影響著巷道掘進速率和工作面安全生產。如何設計合理有效的軟弱復合頂板巷道支護參數，一直是礦山科技人員關注的焦點問題。本文以某礦4301運輸巷為研究對象，通過對原支護條件下巷道圍巖變形情況的分析，采用數值模擬軟件模擬分析了巷道頂板軟弱夾層位置對巷道支護效果的影響規律，提出了“高預應力錨索+補強錨桿”的支護方案，并進行了工業性試驗，為類似工況巷道圍巖控制提供了參考。

1工程概況

山西某礦4301工作面為4號煤層三盤區首采工作面，埋深為386.62m～496.88m，平均埋深441.75m。煤層厚度3.54m～6.28m，平均厚度4.91m;煤層傾角1°～5°，平均傾角3°。4301運輸巷沿4號煤底板掘進，設計長度為1362.26m，采用矩形斷面，斷面尺寸為4.6m×3.6m（寬×高）。由礦井地質資料和巷道掘進揭露實際情況知，4301運輸巷頂板上方約1.2m處有一層平均厚度為0.5m的軟弱夾層。4301工作面煤層頂底板情況如表1所示。

2 軟弱夾層位置對巷道支護效果影響規律的數值模擬分析

2.1 模型建立

根據4301運輸巷實際工程地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件建立尺寸為50m×15m×45m（長×寬×高）的三維數值計算模型。為確保數值計算結果較好地反映巷道開挖影響，在模型網格劃分時，將巷道半徑5m內的網格大小劃分為0.5m×0.5m×0.5m，巷道半徑5m外網格大小劃分為1.0m×1.0m×1.0m。模擬采用摩爾-庫倫屈服準則。邊界條件為：模型底部固定數值方向位移，模型四周固定水平方向位移，模型上部施加6.25MPa的均布載荷等效上覆巖層重力（按照埋深440m，上覆巖層平均容重14.2kN/m3計算）。數值模型中煤巖層力學參數見表2，數值計算幾何模型如圖1所示。

2.2 模擬方案

就軟弱復合頂板巷道而言，軟弱夾層所處位置是圍巖變形和塑性區發育的關鍵影響因素之一。由組合梁理論可知，合理的錨桿錨固高度可將復合頂板相互獨立的巖層形成一個組合體，從而有效降低頂板巖層間的錯動位移，提高頂板整體性。將軟弱夾層與巷道頂板間的垂直距離視為H，將錨桿錨固段與巷道頂板的垂直距離視為h，故軟弱夾層位置與錨桿錨固段高度之間存在三種位置關系（如圖2所示），分別是：軟弱夾層位于錨桿自由段（Hh）。在數值計算中將軟弱夾層厚度設定為0.5m，錨桿長度為2.8m，軟弱夾層與巷道頂板距離分別設置為1m（Hh），對比分析了巷道開挖過程中軟弱夾層位置對巷道圍巖變形特征的影響規律。

2.3 數值模擬結果與分析

不同軟弱夾層位置影響下巷道塑性區分布特征如圖3所示。由圖3a可知，當軟弱夾層位于錨桿自由段（Hh）時，由于軟弱夾層與巷道頂板垂直距離較遠，受巷道開挖影響較小，巷道頂板塑性區范圍較小，錨桿錨固端圍巖未受軟弱夾層影響，巷道支護效果較好。

3 軟弱復合頂板巷道支護設計

根據4301運輸巷實際生產技術條件，提出“高強預應力錨網索+補強錨桿”的聯合支護方案，具體支護參數如下：

3.1頂板支護

錨桿采用規格為Φ20mm×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900mm×1000mm，每排垂直于巷道頂板布置6根錨桿，左右兩端錨桿距巷幫50mm。錨桿托盤采用規格為150mm×150mm×10mm的335號鋼材加工的矩形鋼托盤。每根錨桿配合使用型號為MS CK 23/70 Q/YZK 033和MS CK 23/50 Q/YZK 033的樹脂錨固劑各1卷進行加長錨固。錨桿錨固力為190kN，預緊力不小于170kN。菱形鐵絲網規格為5000mm×1000mm，網孔尺寸為50mm×50mm。錨索選用Φ21.8mm×6200mm高強預應力錨網索，間排距為2000mm×2000mm，每排垂直頂板布置2根，每根錨索配合使用2卷MS CK 23/70 Q/YZK 033和1卷MS CK 23/50 Q/YZK 033樹脂錨固劑，錨索錨固力不小于220kN，預緊力不小于200kN。錨索托盤采用Q345碳素鋼板加工的300mm×300mm×16mm矩形托盤。

3.2巷幫支護

錨桿采用Φ20mm×2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1000mm×1000mm，每排布置8根，上下兩肩窩錨桿與水平線呈15°夾角打設，其余錨桿垂直于巷幫打設。錨桿托盤采用規格為100mm×100mm×10mm的335號鋼材加工的矩形鋼托盤。每根錨桿使用1卷MS CK 23/70 Q/YZK 033樹脂錨固劑。錨桿錨固力不小于160kN，預緊力不小于140kN。菱形鐵絲網規格為3500mm×1000mm，網孔尺寸為50mm×50mm。巷道支護斷面如圖4所示。

4 工業性試驗

為掌握4301運輸巷掘進期間巷道圍巖控制情況，在巷道內距掘進迎頭50m、100m和200m處各布置一個巷道表面位移測站對巷道表面位移進行觀測。結果如圖5所示。由圖5可知，巷道掘進前30d，巷道圍巖表面位移隨工作面推進呈快速增長趨勢，表明此時受巷道掘進擾動影響，巷道圍巖平衡狀態被打破且新的平衡狀態尚未形成，圍巖發生破斷、滑移變形。而在30d以后，巷道圍巖表面位移量隨工作面推進增長速率逐漸減小，最終趨于穩定，且在為期60d的觀測時間內，巷道頂底及兩幫相對移近量最大值分別為83.17mm和176.55mm，表明所采用的支護方案對巷道圍巖變形取得了較好的控制效果。

5結語

基于4301運輸巷實際工程地質條件，文章采用FLAC3D數值模擬軟件研究了不同軟弱夾層位置對巷道圍巖變形的影響。當軟弱夾層位置在錨桿自由段和錨桿錨固段以外時，巷道圍巖塑性區范圍較小，圍巖控制效果較好;當軟弱夾層位置在錨桿錨固段時，軟弱夾層塑性區與巷道圍巖塑性區貫通，巷道變形較大。

文章提出“高強預應力錨網索+補強錨桿”的聯合支護方案，現場應用結果表明：巷道頂底及兩幫相對移近量最大值分別為83.17mm和176.55mm，表明所采用的支護方案對巷道圍巖變形取得了較好的控制效果。

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