復合頂板錨桿支護的疊加支護方法研究

高燕杰

（汾西礦業集團安全監察中心，山西 介休 032000）

在煤礦礦井建設和開挖工作過程中，錨桿支護施工技術是幾種比較常用的技術形式，所具有的支護工作優越性非常明顯，但是在煤層埋深相對較大的礦井開挖工作中，由于多分層、低強度負荷頂板錨桿支護施工方法一直是其中一項施工難題。根據頂板巖性條件、分層結構等相關參數多次變化，頂板錨桿支護施工方案每一種設計工作方案，在進行多次優化和改進之后并沒有達到預期的巷道支護工的效果。

1 巷道頂板破壞機理分析

1.1 巷道頂板破壞過程

由于煤礦巷道頂板位置受壓出現變形，巖石局部出現屈服變形、節理弱面產生破壞、頂板位置較低層的彎曲變形、巖層結構出現拉伸或者局部剪切破壞問題，最終會造成煤礦巷道頂板產生嚴重的破壞。

1.2 塑性破壞工作機理

煤礦巷道圍巖在高地應力作用條件下，會產生應力擴張變形破壞問題，巷道圍巖當中經常會存在膨脹性軟巖地質條件，在吸水之后會產生膨脹變形問題，造成圍巖結構產生破壞。巷道在開挖工作完成之后，巷道周圍圍巖先通過壓應力造成擠壓破壞問題，隨著擠壓破壞不斷朝著圍巖結構深處進一步發展，會造成巖石裂隙進一步擴張出現體積膨脹、巷道周圍的巖層結構產生彎曲，進而會出現彎曲拉應力作用，造成頂板的巖層結構產生破壞性問題[1]。

1.3 結構破壞機理

煤礦巷道開挖工作完成之后，巖層結構的抗水平應力截面面積下降，在水平應力作用條件下每一層會沿著水平層面不斷朝著巷道內部擠壓，造成巷道的頂部位置受到水平作用力影響而產生破壞。圍巖結構當中節理構造面存在圍巖承載能力下降以及穩定性下降問題，特別是在節理面和最大主應力方向上產生斜交問題時，巖體結構很容易出現穩定性下降而產生弱面破壞性問題。煤礦巷道開挖工作完成之后，圍巖結構的受力狀態通過三軸應力變成單軸壓應力狀態，因為巖石單軸的抗壓強度相對較低，會造成圍巖結構出現塑性破壞問題，或者直接沿著節理發育面產生破壞。周圍的巖層結構會受到比較嚴重的擠壓破壞影響，產生嚴重的變形和彎曲情況，破壞區域越大彎曲變形程度越高，因此所造成巷道周圍位置始終處于一種強壓縮性的狀態。隨著錨固巖體結構繼續出現變形和彎曲，巷道內部的錨桿始終處于緊張受力狀態，如果錨桿的長度和剛性程度較大會造成受力更大，當達到極限受力強度時會出現比較嚴重的破壞性問題[2]。

2 疊加支護工作理論

當前在我國一些深井開挖工作過程中，在高應力作用條件下煤礦巷道內部的錨桿支護，在長時間的使用過程中會產生一定的松動和不穩定性問題，并且相關工作人員也經過多次支護參數調整，但是如果從單層錨桿作用角度上來看，提高支護體結構強度整體的表現效果相對較差。通過對以往的實踐工作理論分析可以看出，通過這種單一的錨桿支護施工方法，無法完全阻止巷道頂板的破壞性問題，則錨桿支護設計工作過程中不能單純從提高支護體結構強度的角度上來進行分析，需要從對破壞巖土的加固、阻止圍巖結構繼續產生松動以及提高松動體自身結構穩定性的角度上進行重點分析和考慮，不但需要發揮出錨桿支護工作所具有的優勢，同時還需要保證復合頂板的支護施工效果得到有效保證[3]。

2.1 一級支護結構

一級支護結構主要指的是短錨桿形成的承載結構，單一通過錨桿支護使用方法無法阻止圍巖產生松動問題，則無須要特別提高頂板支護結構體的強度大小，將短錨桿的延展性抗拉強度以及抗剪強度的工作優勢充分發揮出來。短錨桿的錨固厚度相對較小，錨固體擴容變形量相對較小，擴容應力進一步降低，通過使用全程錨固方法加強螺紋鋼錨桿支護結構的穩定性，可以充分滿足復合頂板底層結構錨固體的擴容變形效果，因此可以形成初期支護階段的頂板擠壓和平衡狀態形成強度更高的次生承載體。

2.2 二級支護結構

通過使用鋼絞線錨桿所具有的可延展性特點，有效適應圍巖結構破壞問題所產生的擴張變形量，有效保證人體結構的承載強度和穩定性，保證次生承載體在產生破壞的問題前后，始終處于一種更加穩定的塑性強度大小。有效使用鋼絞線錨桿的長度和強度大小，全面強化自身承載層的抗變形能力，長錨桿和短錨桿通過相間布置方法，在容易產生彎曲破壞的巷道頂板中間位置可以有效解決，因為頂板中部受力過大而產生變形量問題的干擾，進一步提高頂板次生承載層的抗壓強度以及塑性變形工作能力，可以形成一種塑性更強、承載力更大的不均勻對稱基礎承載體結構，全面提高破壞巖體結構的穩定性[4]。

2.3 三級支護結構

通過使用鋼絞線錨索對巖體展開擠壓和加固處理，保證錨索相互之間形成堵墻和促進性作用，同時和短錨桿、長錨桿、錨索加固的承載體之間形成相互補強作用。錨索結構具有良好的延展性以及抗拉工作強度，會使得錨索所形成的錨固巖體，在巷道頂板的中間區域形成一條強度更大、塑性更強、結構穩定性更高的承載體。錨索加固點在松動圈之外，可以進一步提高頂板承載體結構的穩定性，同時錨索設置在兩排錨桿的中間區域，可以進一步提高支護體結構的密度大小，錨索和長錨桿具有更高的延展性能同時強度更高，可以全面提高承載體結構的強度、塑性以及抗彎曲破壞性，能有效提高存在的結構的整體穩定性。

3 疊加支護技術方法的具體應用

有效結合我國某地區一處煤礦開采巷道支護施工展開分析和研究，本次巷道支護施工方法，采用的是疊加支護技術方法，工作單位積累了大量的參數數據信息，充分發揮出疊加支護施工技術優勢。本條巷道埋深467 m 頂板結構屬于復合層結構，煤礦巷道設計斷面尺寸為4.6 m×3.0 m，矩形斷面結構根據疊加支護施工技術方法進行頂板支護設計，短錨桿結構使用的是22 mm×1 600 mm 的熱軋螺紋鋼材料。長錨桿使用的是14.5 mm×3 500 mm 的鋼絞線，錨桿錨索使用的是14.5 mm×5 300 mm 的鋼絞線材料，錨桿錨索和測站儀器設備進行合理設計，根據疊加支護理論方法展開頂板支護施工，其中總共設置出三個監測站，監測站間距為10 m 頂板離層指示儀[5]。

通過三個固定點進行加固處理，固定點深度大小分別為1.5 m、3.5 m 和5.0 m。在第一階段支護施工過程中，采用的是一級支護施工方法，短錨桿受力大小為130 kN 頂板下沉速率較快，平均達到8 mm/d，第一階段大約為4 點左右。第二階段為一級和二級支護疊加，承載低位和中位承載體同時作為主承載結構，長錨桿受力緩慢增加然后區域穩定，三級支護結構緩慢加在錨索數里大小進一步增加，頂板的下沉速率平穩。第三階段作為一級二級和三級支護的疊加承載階段，在巷道頂板低位中位以及高位的承載體，同時進行支撐頂板結構趨于穩定，短錨桿長錨桿以及錨索的受力并沒有明顯的提升頂板結構，不存在明顯的下沉量。同一條巷道的其他支護施工作為原錨桿支護設計結構，錨桿材料使用的是22 mm×2 200 mm 的熱軋螺紋鋼材料，采取全程錨固錨桿間距大小為700 mm，排間距為800 mm 煤礦巷道從開挖到回采工作，錨桿支護原設計支護段經過兩次翻修而疊加之后，綜采工作面臨及時進行拉底處理即可滿足正常的工作要求，整個支護施工效果和經濟效益表現更加明顯[5]。

4 結語

通過錨桿支護使用方法，隨著巷道頂板的推移作用，經常會出現局部巷道穩定性下降，最后會出現更加嚴重的大面積煤礦巷道失穩問題，因此需要通過采取疊加支護施工方法，進一步保證復合頂板結構的穩定性，提高整個煤礦開采工作的安全性，實現煤礦開采工作單位的良好經濟效益和社會效益。