不穩(wěn)定煤巷頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)研究

賀進(jìn)修

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦機(jī)掘一隊(duì)，山西 大同 037003）

引言

通常巷道破壞的原理是：巷道開挖后，原巖平衡的應(yīng)力狀態(tài)被破壞，并伴隨應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)巖體由三軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閱屋S或者兩軸的狀態(tài)，使巖體的承載能力降低，從而造成巷道圍巖的變形和破裂，出現(xiàn)一定區(qū)間范圍內(nèi)的圍巖破壞區(qū)域[1]。此外，再加上巷道圍巖的穩(wěn)定性一般較差，在采動(dòng)工作面的影響作用下，巷道開挖后，圍巖產(chǎn)生更嚴(yán)重的變形甚至破壞，巷道圍巖的破壞程度有圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)等[2]。而對(duì)于巷道頂板，依據(jù)穩(wěn)定巖層到頂板的距離、巷道跨度以及穩(wěn)定巖層的穩(wěn)定跨距，可分為穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定四類，本文主要針對(duì)不穩(wěn)定頂板的錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)展開分析。

1 錨梁網(wǎng)組合支護(hù)的作用原理

錨梁網(wǎng)作為巷道支護(hù)的重要形式，錨桿索通過相互配合作用，可以使巷道在垂直和水平方向上的巖體錨固一起，進(jìn)而形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，該承載結(jié)構(gòu)不僅能使圍巖的承載能力增強(qiáng)，防止圍巖的破壞，還能使圍巖的整體承載能力進(jìn)一步增強(qiáng)。其中，錨梁網(wǎng)組合支護(hù)能夠加強(qiáng)承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，體現(xiàn)在：一是能夠有效避免圍巖淺部破裂巖塊的跨落；二是能夠使圍巖的受力狀態(tài)發(fā)生改變，當(dāng)錨桿索支護(hù)后，圍巖由二向受力轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)，使圍巖由受拉變?yōu)槭軌?；三是能夠形成擠壓加固帶，提高圍巖的強(qiáng)度；四是鋼帶可以加固巖梁，發(fā)揮減跨和降低撓度的作用，很大程度上降低頂板中間位置的受拉程度。

2 煤巷頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)研究

對(duì)于不穩(wěn)定頂板而言，其表現(xiàn)為頂板穩(wěn)定巖層距離頂板表面的距離比較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了錨桿的錨固范圍，即便采用可加長或者超長錨桿都不能將錨固段錨固到穩(wěn)定的巖層內(nèi)，此時(shí)就需要采用錨索支護(hù)的形式，還要搭配金屬網(wǎng)和鋼梁進(jìn)行支護(hù)，而此種情況下的穩(wěn)定巖層還可繼續(xù)作承載層。

對(duì)于不穩(wěn)定頂板巷道，其穩(wěn)定巖層距離巷道頂板的距離一般在4～6 m 范圍內(nèi)，頂板呈現(xiàn)出冒落拱結(jié)構(gòu)，因此，應(yīng)采用冒落拱理論來進(jìn)行巷道支護(hù)的設(shè)計(jì)。其中，錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

2.1 錨桿索參數(shù)的分析確定

錨桿索長度的分析確定：

式中：l1為錨桿索錨固長度，其大小由拉拔試驗(yàn)確定；l2為錨桿索有效長度；l3為錨桿索外露長度，其大小取決于錨桿索托盤厚度、螺母厚度。

錨桿索數(shù)量的分析確定：

式中：PV為錨桿索懸吊的載荷；Rt為錨桿索的承載力；c 為錨桿索的排距；K 為安全系數(shù)。

2.2 鋼帶和金屬網(wǎng)參數(shù)的分析確定

目前，常用的鋼帶類別有W 型鋼帶，其具有護(hù)頂面積大、良好的折彎性能，適用于頂板壓力小、巷道礦壓較緩和的巷道；平鋼帶，具有加工制作簡單和較好的護(hù)頂面積，僅適用于頂板壓力小、巷道較緩和的巷道；鋼筋梯，具有制作工藝簡單、成本較低，但是不能承受較大的壓力，且護(hù)頂面積小，作用有限。

對(duì)于金屬網(wǎng)的選擇要注意以下幾個(gè)方面：網(wǎng)片要具有較高的剛度和強(qiáng)度；材質(zhì)成本要求較低，制作加工工藝簡單；金屬網(wǎng)要求能夠折疊，利于運(yùn)輸；具有可彎曲性。

本文以某礦為對(duì)象，其頂板為不穩(wěn)定型，根據(jù)上述分析確定本礦巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案為：對(duì)于頂板支護(hù)，頂板應(yīng)用加長錨固方式，并結(jié)合錨、網(wǎng)、鋼帶聯(lián)合的巷道支護(hù)形式，采用規(guī)格是Φ20 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，間排距是1 000 mm、1 000 mm，每排設(shè)置5 根錨桿，樹脂是采用CK 型Φ23 mm×500 mm 一卷、M 型Φ23 mm×500 mm 一卷；頂網(wǎng)采用規(guī)格為1 400 mm×6 000 mm 的金屬網(wǎng)；鋼帶型號(hào)是BHW-30-4 400 mm。對(duì)于正幫支護(hù)，采用玻璃鋼錨桿，規(guī)格為Φ18 mm×1 600 mm，從距離頂400 mm開始，設(shè)置4 根錨桿，間排距是600 mm、800 mm，樹脂同樣采用CK 型Φ23 mm×500 mm 一卷，掛塑料網(wǎng)的規(guī)格為2 600 mm×20 000 mm；對(duì)于負(fù)幫支護(hù)，采用A3 鋼錨桿規(guī)格為Φ18 mm×2 000 mm，從距離頂400 mm 開始，同樣設(shè)置4 根錨桿，間排距是600 mm、800 mm，樹脂和塑料網(wǎng)的規(guī)格同于正幫。其中，煤巷頂板和兩幫錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 不穩(wěn)定頂板情形下，巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

為驗(yàn)證巷道支護(hù)的效果，本文主要研究在工作面推進(jìn)過程中巷道的變形情況，并設(shè)置巷道變形監(jiān)測點(diǎn)，其中，監(jiān)測點(diǎn)位于距工作面60 m、45 m、31 m、16 m、2 m，正幫和負(fù)幫距煤壁4.5 m、2.0 m 和1.5 m，監(jiān)測兩幫深基點(diǎn)的位移。

圖2 和圖3 分別為兩幫深基點(diǎn)位移的監(jiān)測變化圖。圖2 中，隨著工作面的推進(jìn)，正幫各深基點(diǎn)的位移變化量不斷增大，4.5 m、2.0 m、1.5 m 位置處的位移值分別是6 mm、3 mm 和2 mm；圖3 中，隨著工作面的推進(jìn)，負(fù)幫各深基點(diǎn)的位移量也同樣逐漸增大，4.5 m、2.0 m、1.5 m 位置處的位移值分別是11 mm、6 mm 和3 mm。

圖2 不穩(wěn)定頂板情形下，正幫深基點(diǎn)位移變化曲線

圖3 不穩(wěn)定頂板情形下，負(fù)幫深基點(diǎn)位移變化曲線

通過上述結(jié)果表明，正幫深基點(diǎn)位移最大值是6 mm，負(fù)幫深基點(diǎn)位移最大值是11 mm，深基點(diǎn)位移變化比較小，表明該巷道支護(hù)方案可行性較強(qiáng)。

3 結(jié)論

1）頂板應(yīng)用加長錨固方式，并結(jié)合錨、網(wǎng)、鋼帶聯(lián)合支護(hù)后，正幫和負(fù)幫深基點(diǎn)位移變化量均較小。

2）表明該巷道支護(hù)方式不僅能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要，還可降低支護(hù)成本，進(jìn)而保證巷道的安全使用。