綜放工作面兩側平巷頂板支護研究與探討

呂傳慶

(晉城宏圣建筑工程有限公司， 山西 晉城 048000)

綜放工作面掘巷期間，由于掘進巷道沿底板掘進，其上方頂板將會以頂煤為主。常規支護方式下頂板煤巖層并不能處于很好的壓應力控制環境中，時常會因為小斷層等地質構造擾動影響而誘發冒頂事故，因此有必要針對頂板為煤體時的支護方式進行優化設計[1-2].

本文以山西晉能控股煤業集團某礦20322綜放工作面為工程地質背景，調研某次冒頂事故發生后錨桿索殘余桿體損壞特征，通過理論計算與數值模擬相結合的方式，對原有支護方案進行優化設計,并通過現場工程應用以及礦壓監測等方法對優化后的支護方案進行效果檢驗。

1 工程地質概況

山西晉能能源控股集團所屬某礦20322綜放工作面掘巷期間于20322運輸平巷內發生了一起嚴重的冒頂事故，事故發生位置為一小斷層構造影響區。冒頂區域平面位置關系見圖1.

20322綜放工作面主采2#煤層，所采煤層厚度為5.8～6.6 m，均厚為6.2 m. 20322綜放工作面地面標高為+935～+1 025 m，井下標高為+490～+572 m，平均埋深超過450 m，工作面兩側的平巷尺寸寬5.6 m、高3.55 m，巷道頂板以頂煤為主。20322工作面兩側平巷以錨桿索聯合支護為主，其具體支護參數見圖2.

圖1 冒頂區域平面位置關系圖

按照圖2所示的錨桿索聯合支護參數對20322綜放工作面兩側平巷進行支護，其中錨桿排距為900 mm，錨索排距為1 800 mm. 由于平巷掘出后頂板以頂煤為主，其物理力學性質較巖層軟弱，且受局部小斷層構造的影響，因而發生了大范圍冒頂事故，現場冒頂情況見圖3.

由圖3可知，現場采用圖2所示的錨桿索聯合支護后，并不能很好地起到對頂板煤體的支護效果，一旦遇到小斷層構造等特殊地質條件影響時，頂板將會發生垮冒事故，影響工作面的前期準備工作和作業人員的人身安全。

圖2 兩側平巷錨桿索支護參數圖

圖3 現場冒頂調研情況圖

2 冒頂事故分析

2.1 冒頂事故概況

圖1中大致給出了冒頂區域平面位置關系，頂板冒落后的具體參數情況見圖4.

圖4 頂板冒落后具體參數情況圖

圖4所示為20322運輸平巷受小斷層構造影響而使其附近頂板垮冒后的頂底板標高測定情況，可以看出冒頂區域長達53.65 m，冒頂范圍極大，最大冒落高度為6.6 m，最小冒落高度為4.0 m，根據煤層均厚為6.2 m的客觀條件可知，冒頂區域內不止頂煤發生了整體垮落，其上方巖體也伴隨著頂煤發生了一定的冒落。

2.2 冒頂原因分析

冒頂事故發生后，通過對現場支護所用錨桿索構件進行調研發現，由于錨桿構件長度有限，基本錨固于頂板煤體內，因而對于頂板冒頂事故的發生影響甚微。反觀眾多錨索托盤呈現出明顯的凹陷變形，并在現場遺落有很多被拉斷的錨索殘余桿體，由錨索斷裂形式可以看出，托盤在較大的拉力作用下發生了明顯的內凹變形，錨索斷裂位置處呈現出明顯的拉斷特征，并非受頂板煤巖層水平剪切而呈現的剪切斷裂形式。這意味著巷道頂板的冒頂事故是由于頂板煤巖層離層使原有錨索支護無法承擔而發生拉伸破斷而導致的，因此有必要針對錨索支護參數進行優化改良。

3 支護參數優化設計

對巷道頂板支護參數的優化應該從兩個方面進行設計[3-4]：1) 錨索構件本身強度不足，在較高的承載力作用下容易拉斷。2) 錨索構件預緊力不足，存在巷道頂板離層現象。

3.1 錨索數量優化設計

在原有錨桿支護方案的基礎上，通過對不同數量錨索支護下頂板內的應力分布情況進行數值模擬，來研究不同數量錨索支護方式下頂板內應力的演化規律，見圖5.

圖5 不同數量錨索支護下頂板應力云圖

由圖5可知，隨著頂板錨索支護數量從1根增加至4根，頂板受錨索預應力的壓緊效應而在頂板內形成連片的應力壓縮區。錨索支護數量為1根或者2根時，頂板內每根錨索所形成的應力壓縮區互相之間干擾較小，無法對頂板形成連續的應力壓縮區；而在錨索支護數量為3根或4根時，頂板內每根錨索所形成的應力壓縮區之間相互影響，在頂板內形成了連續的應力壓縮區，這時候頂板內煤巖層整體結構性較好，不易出現頂板內煤巖層離層的情況。可見，頂板錨索支護數量為3根時已經能夠對頂板煤巖層起到很好的支護效果，考慮到經濟因素，在此確定頂板錨索支護數量為3根。

3.2 錨索預應力優化設計

工程上針對錨索拉斷的誘因進行了分析，得知造成錨索拉斷的原因主要有以下兩方面[5-6]：1) 錨索桿體的承載載荷達到了極限，錨索桿體無法承載更大的載荷而被拉斷。2) 錨索桿體的延伸變形量超過了桿體的極限變形量而被拉斷。

目前煤礦上針對錨索參數的設計通常只考慮錨索的承載性能，關于錨索桿體的延伸變形量這一因素往往被忽略。由于20322工作面為綜放開采方式，其兩側平巷頂板以松軟煤體為主，往往會由于離層變形等造成錨索桿體的延伸變形量較大，因此有必要針對錨索桿體的延伸變形量進行計算分析。

參考國家標準GB/T 14370—2000可知，錨索桿體(1×7結構的1860級鋼絞線)的極限抗拉力約為260 kN，拉斷時的極限延伸變形率為2.0%. 考慮到錨具組裝后在實驗室測定的錨具效率系數約為0.95以及工程地質條件影響系數約為0.9，代入以下公式[7]可以計算得到在工程應用中錨索斷裂時的實際極限抗拉力(Fms)和極限延伸變形率(εms)：

Fms=ηa·ηs·Fpm=221 kN

(1)

εms=ηs·εpm=1.8%

(2)

式中，ηa為錨具效率系數；ηs為工程地質條件影響系數；Fpm為錨索桿體的極限抗拉力，kN；εpm為錨索桿體的極限延伸變形率。

當將錨索錨固于巷道頂板中，錨索桿體的延伸變形量主要包括初始施加預緊力期間產生的延伸變形量和后續頂板煤巖體變形所導致的延伸變形量兩部分。而錨索錨固于巷道頂板后其可利用的延伸變形率(εΔ)和延伸變形量(ΔL)可按照下式計算：

ε1=(1.8-Fy/A)%

(3)

ΔL=(1.8-Fy/A)%×L

(4)

式中，Fy為錨索錨固于巷道頂板后初始施加的預緊力，kN；A為錨索桿體的剛度系數，取221；L為錨索錨固于巷道頂板中后自由段的長度，m.

結合式(3)和(4)可知，錨索錨固于巷道頂板后初始施加的預緊力值以及自由段的長度值均會對錨索桿體可利用的延伸變形量產生影響。不同初始錨索預應力值和自由段長度值下錨索的可利用延伸變形量可由實驗室測試得知，見圖6.

圖6 不同條件下錨索的可利用延伸變形量圖

由圖6可知，相同初始錨索預應力條件下，錨索自由段長度越長，其相應的可利用延伸變形量越大。因此，在后續對頂板錨索支護參數優化設計時，要考慮增加錨索自由段長度，以期其能擁有更大的可利用延伸變形量。

4 工程應用

對20322工作面兩側平巷原有支護方案進行優化設計，考慮到巷道頂板為煤體，因此針對頂板內的錨索參數進行了優化設計，優化后的支護方案見圖7.

圖7 優化后的支護方案圖

優化后的支護方案中，頂板錨索數量增加至3根，錨索長度增加至8 300 mm，其中錨固段長度為2.0 m，自由段長度為6.0 m，預緊力根據現場工程經驗取值為120 kN.

采用優化后的支護方案對20322工作面兩側平巷進行支護后，在兩側巷道內各布置3個間隔50 m的測站對60天內頂底板移近量進行監測，測站KD1、KD2、KD3布置于20322運輸平巷內，測站KD4、KD5、KD6布置于20322回風平巷內，監測結果見圖8.

圖8 現場礦壓觀測結果圖

由圖8可知，采用優化后的支護方案，掘巷期間頂底板最大移近量不大于170 mm，較巷道設計高度3.55 m可知，變形率僅為4.7%，可見巷道頂板變形控制效果顯著。后續可以進一步延長監測時間，對優化后的支護方案對巷道頂板圍巖的控制效果進行進一步驗證。

5 結 論

1) 頂板以煤體為主的巷道支護期間容易受小斷層等地質構造影響而發生冒頂事故，通過對現場支護所用錨桿索構件進行調研發現，現場遺落有很多被拉斷的錨索殘余桿體，且錨索斷裂位置處呈現出明顯的拉斷特征。這意味著頂板煤巖層離層導致原有錨索支護無法承擔而發生拉伸破斷。

2) 錨索錨固于巷道頂板后初始施加的預緊力值以及自由段的長度值均會對錨索桿體可利用的延伸變形量產生影響。相同初始錨索預應力條件下，錨索自由端長度越長，其相應的可利用延伸變形量越大。

3) 采用優化支護方案對20322工作面兩側平巷進行支護后，巷道掘巷期間頂底板最大移近量不大于170 mm，較巷道設計高度3.55 m可知，變形率僅為4.7%，可見對于巷道頂板變形控制效果顯著。