嚴(yán) 紅，何富連，徐騰飛，蔣紅軍，高 升

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

1 引 言

近十年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，煤炭資源開(kāi)采量呈逐年大幅遞增趨勢(shì)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2011年我國(guó)煤炭產(chǎn)量已達(dá) 35.2億 t，較 2001年煤炭產(chǎn)量增長(zhǎng)317.1%。一方面，原煤炭工業(yè)部頒發(fā)的《緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類》中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類穩(wěn)定和中等穩(wěn)定回采巷道開(kāi)掘量逐年減少，而Ⅳ、Ⅴ類復(fù)雜困難巷道數(shù)量及其控制難度呈現(xiàn)快速上升態(tài)勢(shì)，煤巷冒頂事故不斷[1－2]。另一方面，錨桿索支護(hù)憑借其支護(hù)速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度低、運(yùn)輸方便等優(yōu)勢(shì)成為回采巷道首選的支護(hù)形式，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣[3]。但是，對(duì)于復(fù)雜困難煤巷而言，如高應(yīng)力大斷面復(fù)合頂板煤巷，采用常規(guī)加大錨桿（索）支護(hù)密度或直徑等方法難以起到有效作用，亟需研究和試驗(yàn)新型支護(hù)系統(tǒng)控制巷道圍巖大變形或頂板離層，避免類似困難煤巷頂板冒頂事故的發(fā)生。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)具有高應(yīng)力、大斷面、復(fù)合頂板特征的復(fù)雜煤（巖）層巷道穩(wěn)定性分析和控制技術(shù)方面開(kāi)展了大量研究。馮夏庭等[4]提出綜合集成智能分析與動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究地下高應(yīng)力硐室工程穩(wěn)定性。方新秋等[5]針對(duì)孔莊礦深部高應(yīng)力典型軟巖巷道變形特征，提出錨網(wǎng)索噴與錨注聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。高峰等[6]分析了復(fù)合頂板巷道破壞特征及錨桿索主動(dòng)支護(hù)作用。岳中文等[7]結(jié)合室內(nèi)相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了錨桿索支護(hù)下大斷面復(fù)合頂板煤巷變形特征。張農(nóng)等[8]研究了巷道復(fù)合頂板中軟弱夾層位置對(duì)錨桿索支護(hù)影響，并提出圍巖預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化控制對(duì)策。

上述研究成果對(duì)于我國(guó)高應(yīng)力大斷面巷道安全高效支護(hù)起到積極作用，并已在部分巷道成功推廣應(yīng)用。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合典型復(fù)雜困難煤巷地質(zhì)生產(chǎn)條件，分析了高應(yīng)力大斷面復(fù)合頂板煤巷變形破壞特征，研究了錨桿索桁架控制系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)思路及控制原理等，并在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了工業(yè)性試驗(yàn)。

2 工程概括

峰峰集團(tuán)新三礦置換煤巷布置于孤島煤柱中，主要用于廢矸充填，巷道埋深390 m，矩形斷面(長(zhǎng)×寬)為4.5 m×4.5 m，其支護(hù)難度主要表現(xiàn)為：①布置于高支承應(yīng)力孤島煤柱中；②位于吝家溝向斜軸部；③巷道開(kāi)掘斷面大；④煤層松軟，強(qiáng)度低；⑤頂板為剛強(qiáng)度差異較大的復(fù)合巖層。巷道開(kāi)掘初采用普通錨桿索支護(hù)時(shí)，頂板最大下沉量為 1.2 m，兩幫移近量 2.2 m，頂幫角錨桿托盤普遍脫落，部分錨索拉斷，如圖1所示，

圖1 破壞的錨桿托盤和錨索Fig.1 Broken bolt pallet and cable

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與置換煤巷相鄰的兩條巷道（南正巷和廢鋼巷）支護(hù)過(guò)程中異常礦壓顯現(xiàn)得出，①巷道在掘進(jìn)和服務(wù)期間，變形量較大，兩條巷道均經(jīng)過(guò)多次整修，但圍巖變形發(fā)展趨勢(shì)仍不穩(wěn)定；②承受應(yīng)力高。兩條巷道在掘進(jìn)和維護(hù)期間變形持續(xù)發(fā)展，并間隔出現(xiàn)“煤炮”聲?？傮w而言，該區(qū)域煤巷支護(hù)穩(wěn)定性主要受高應(yīng)力作用、復(fù)合巖層頂板性質(zhì)及巷道大斷面因素綜合影響。

置換煤巷煤巖層柱狀圖如圖2所示。偽頂為炭質(zhì)泥巖，平均厚度為 0.3 m，層理明顯。直接頂為細(xì)砂巖，平均厚度 2.3 m，層理明顯，有裂隙含云母。直接頂以上巖層依次為炭質(zhì)泥巖、粉砂巖和細(xì)砂巖，平均厚為1.0、2.0 m和5.8 m，是典型復(fù)合頂板。頂板裂隙較發(fā)育，完整性差，巖層剛強(qiáng)度差異大，巷道掘進(jìn)支護(hù)過(guò)程中易出現(xiàn)較大頂板離層和圍巖大變形。

圖2 煤巖層柱狀圖Fig.2 Histogram of coal seam and strata

3 高應(yīng)力復(fù)合頂板煤巷變形特征

3.1 試驗(yàn)置換煤巷應(yīng)力分布特征

褶曲形成的構(gòu)造應(yīng)力以及采空區(qū)的殘余支承應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)巷道支護(hù)穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。由于試驗(yàn)置換煤巷兩側(cè)采空區(qū)沿褶曲軸部不對(duì)稱分布，導(dǎo)致褶曲構(gòu)造區(qū)孤島煤柱垂直應(yīng)力成不對(duì)稱的馬鞍狀分布，如圖3所示，利用三維差分軟件FLAC3D模擬褶曲處煤柱應(yīng)力分布特征，得出置換煤巷水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力分別為23.75 MPa和12.35 MPa，側(cè)壓系數(shù)為1.92，構(gòu)造區(qū)域高水平應(yīng)力對(duì)巷道頂板離層和圍巖變形影響顯著。

圖3 褶曲孤島煤柱支承應(yīng)力分布Fig.3 Abutment stress distribution in isolated coal pillar with folds

3.2 高應(yīng)力復(fù)合頂板煤巷變形特征研究

在高應(yīng)力作用下，結(jié)合置換煤巷頂板煤巖層物理力學(xué)參數(shù)，在巷道高度L不變的情況下，L均取4.5 m，隨巷道跨度D增大，D分別取3.5、4.5、5.5、6.5 m時(shí)模擬巷道圍巖塑性區(qū)分布及位移變形特征，如圖4、5所示，圖例由上至下依次為無(wú)、剪切屈服及恢復(fù)區(qū)、剪切屈服及剪切，張拉恢復(fù)區(qū)、剪切恢復(fù)區(qū)。

圖4 不同寬度時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)分布Fig.4 Plastic zone distribution of roadway with different widths of rectangalar cross-section

圖5 不同寬度時(shí)巷道圍巖變形量Fig.5 Roadway surrounding rock deformation with different widths of cross-section

由圖4、5可見(jiàn)，（1）隨斷面的增加（3.5～6.5 m），高應(yīng)力復(fù)合頂板巷道塑性區(qū)范圍不斷向圍巖深部擴(kuò)展，采用普通錨桿索支護(hù)時(shí)，形成的預(yù)應(yīng)力帶厚度和影響范圍小，難以抵抗巷道圍巖的整體變形；（2）復(fù)合頂板淺部巖層受拉應(yīng)力和剪應(yīng)力疊合作用影響較大，并隨斷面增加，疊合應(yīng)力破壞范圍持續(xù)增加。對(duì)于高應(yīng)力復(fù)合頂板大斷面煤巷而言，頂板控制尤為關(guān)鍵；（3）隨斷面增大，巷道圍巖整體變形量也快速增加，其中頂板、兩幫移近量大，D=3.5 m時(shí)分別為163.72 mm和331.26 mm；D=6.5 m時(shí)分別達(dá)到354.93 mm和698.13 mm。從變形增加幅度而言，頂板最大，兩幫其次，底板最小。因此，從巷道圍巖變形角度而言，錨桿索支護(hù)過(guò)程中支護(hù)系統(tǒng)剛、強(qiáng)度不夠或采用多次支護(hù)均會(huì)隱性擴(kuò)大巷道塑性區(qū)及開(kāi)掘?qū)挾龋焕谙锏乐ёo(hù)穩(wěn)定。

對(duì)于高應(yīng)力大斷面復(fù)合頂板煤巷，控制的關(guān)鍵是頂板，頂板維護(hù)不當(dāng)，不僅導(dǎo)致離層或下沉量大，易誘發(fā)冒頂事故；而且加快了兩幫塑性區(qū)擴(kuò)展速度和范圍，進(jìn)而導(dǎo)致巷道圍巖的整體變形破壞。

4 錨桿索桁架控制系統(tǒng)

結(jié)合上述分析得出的高應(yīng)力大斷面復(fù)合頂板煤巷變形特征以及對(duì)大斷面隧道、大跨度橋梁及地面大跨空間結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果[9]，提出以“索-拱”支護(hù)結(jié)構(gòu)為核心的錨桿索桁架控制系統(tǒng)。

4.1 基本結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)思路

錨桿索桁架控制系統(tǒng)，如圖6所示。它主要由大直徑錨索、專用聯(lián)接器、鋼筋梯子梁和高強(qiáng)錨桿組成，巷道開(kāi)掘后，將單排2根大直徑錨索（19絲φ15.24或φ17.8 mm）沿某一角度伸入頂、幫角深部穩(wěn)定巖層中。錨索桁架起關(guān)鍵支撐作用，保障大斷面復(fù)合頂板巖層“大結(jié)構(gòu)”穩(wěn)定性，利用鋼筋梯子梁串接的高強(qiáng)錨桿與頂板淺部圍巖形成支護(hù)拱結(jié)構(gòu)，共同組成頂板“索-拱”支護(hù)結(jié)構(gòu)。

圖6 頂板錨桿索桁架支護(hù)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Supporting structure with roof bolt and cable truss

錨桿索桁架控制系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)錨桿索支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)支護(hù)系統(tǒng)中各參數(shù)選擇要求也較高，圖7為其中錨桿索桁架系統(tǒng)合理參數(shù)設(shè)計(jì)流程。

圖7 錨桿索桁架系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 Design process diagram of the supporting system

4.2 支護(hù)原理

錨桿索桁架系統(tǒng)對(duì)高應(yīng)力大斷面復(fù)合頂板巷道圍巖控制，主要通過(guò)高強(qiáng)錨桿和錨索桁架共同作用完成。在高強(qiáng)錨桿安裝結(jié)束后，高預(yù)應(yīng)力作用下剛性結(jié)構(gòu)梁形成的拱式結(jié)構(gòu)，能夠形成一定剛強(qiáng)度的淺部承載層，大幅降低頂板淺部巖層的離層和下沉。高強(qiáng)錨索保障深部巖層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，“索-拱”體系較單一的索或拱式結(jié)構(gòu)而言具有更大的剛度，不易發(fā)生整體失穩(wěn)，且索與拱式結(jié)構(gòu)有利于協(xié)同減弱高應(yīng)力下非均勻荷載影響[10]。

錨桿索桁架支護(hù)的原理可以通過(guò)支護(hù)系統(tǒng)安裝后頂板圍巖隨支護(hù)時(shí)間變形圖進(jìn)行分析，如圖8所示，此處將頂板無(wú)支護(hù)、傳統(tǒng)錨桿索支護(hù)與錨桿索桁架支護(hù)進(jìn)行對(duì)比研究，具體分析如下。

（1）頂板無(wú)支護(hù)頂板變形量與支護(hù)時(shí)間關(guān)系如圖8(a)中曲線1所示，0～t0段為巷道頂板圍巖自穩(wěn)階段，巷道開(kāi)掘后，頂板圍巖由三向受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為雙向受壓，頂板巖層剛強(qiáng)度差異較大，巖層間表現(xiàn)為離層，頂板圍巖整體出現(xiàn)一定下沉，但巖層間粘結(jié)力作用使得頂板結(jié)構(gòu)暫時(shí)未出現(xiàn)破壞；t0～t1段，由于巷道斷面大，頂板圍巖承受應(yīng)力高，隨開(kāi)掘時(shí)間增加，頂板圍巖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，頂板變形速率增大，頂板出現(xiàn)較大下沉量；t1～t2段，頂板變形量繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)變形量超過(guò)頂板圍巖極限變形量時(shí)，頂板變形速率呈倍數(shù)增大，并在較短時(shí)間內(nèi)超越頂板自穩(wěn)極限值，頂板發(fā)生冒頂災(zāi)害事故。

（2）傳統(tǒng)錨桿支護(hù)頂板變形量與支護(hù)時(shí)間關(guān)系，如圖8(a)中曲線2所示，0～t3段，巷道開(kāi)掘后，頂板在巖層間形成的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)和錨桿支護(hù)形成的厚層拱形結(jié)構(gòu)共同作用下，頂板出現(xiàn)一定的變形，但變形量不大，且由于高應(yīng)力作用下大斷面頂板中部區(qū)域拉應(yīng)力隨時(shí)間快速增大，頂板深部巖層間出現(xiàn)較大離層，淺部錨桿支護(hù)形成的拱形加固層整體出現(xiàn)下沉，此時(shí)出現(xiàn)兩種變形類型，如圖 8(a)中曲線3、4所示，其中曲線3為頂板巖層剛強(qiáng)度差異較大或由軟弱巖層組成，頂板變形速率加快，當(dāng)超過(guò)頂板圍巖結(jié)構(gòu)承載極限時(shí)，頂板出現(xiàn)大面積的破壞和垮冒。曲線 4是在頂板巖層差異不大且強(qiáng)度較大時(shí)，出現(xiàn)頂板大變形，但頂板破碎巖塊間形成承載結(jié)構(gòu)，能保持頂板的基本穩(wěn)定，但若出現(xiàn)應(yīng)力擾動(dòng)情況，易發(fā)生突發(fā)性垮冒。

圖8 不同支護(hù)方式頂板變形與支護(hù)時(shí)間關(guān)系比較Fig.8 Comparison with different typical supporting styles

（3）頂板錨桿索桁架支護(hù)頂板變形量與支護(hù)時(shí)間關(guān)系

如圖8(b)所示，0～t0段，巷道開(kāi)掘后頂板應(yīng)力狀態(tài)改變，使得頂板圍巖出現(xiàn)小幅下沉，但由于采用高預(yù)應(yīng)力錨索桁架與高強(qiáng)錨桿聯(lián)合支護(hù)，使開(kāi)掘后的頂板雙向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為近似三向應(yīng)力狀態(tài)，頂板深部巖層離層量小；t0～t1段，高強(qiáng)錨索桁架形成的預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)有效控制頂板深部巖層離層的發(fā)展，而高強(qiáng)錨桿形成的預(yù)應(yīng)力剛性拱結(jié)構(gòu)保障了頂板淺部圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，高強(qiáng)錨桿索桁架系統(tǒng)共同組成的預(yù)應(yīng)力“索-拱”結(jié)構(gòu)在高應(yīng)力大斷面巷道支護(hù)過(guò)程中使頂板圍巖一直保持良好受壓狀態(tài)，有效控制復(fù)合頂板離層及整體變形；t1～t2段，巷道頂板承受動(dòng)壓或其他工程擾動(dòng)時(shí)，破壞了頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)暫時(shí)平衡，頂板出現(xiàn)一定下沉，但由于高強(qiáng)錨索桁架中聯(lián)接器與傾斜錨索的楔形效應(yīng)，頂板下沉量較小，隨支護(hù)時(shí)間重新形成新的支護(hù)平衡結(jié)構(gòu)，使支護(hù)期間頂板保持穩(wěn)定。

4.3 支護(hù)系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力分布特征

錨桿索桁架控制系統(tǒng)由錨索桁架圍巖控制系統(tǒng)和高強(qiáng)錨桿控制系統(tǒng)組成。在充分保障支護(hù)效果基礎(chǔ)上，可減小錨索桁架布置密度，同時(shí)增加大直徑的單體錨索。巷道圍巖控制系統(tǒng)中錨索桁架、單體錨索、高強(qiáng)錨桿結(jié)構(gòu)形成的支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)如圖9所示，各支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

圖9 錨桿索桁架頂板支護(hù)預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布Fig.9 Roof prestress field distribution with bolt and cable truss supporting

表1 各支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameters set in each supporting structure

（1）錨索桁架在頂板巖層中形成的整體預(yù)應(yīng)力帶范圍較大，應(yīng)力分布形狀呈左右對(duì)稱的間隔式閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力值從圓環(huán)中心向外逐步降低，形成具有一定厚度的預(yù)應(yīng)力帶結(jié)構(gòu)，能大幅降低頂板高應(yīng)力對(duì)復(fù)合頂板深部巖層影響程度，減小頂板深部巖層離層量及深部組合巖層的拉應(yīng)力變形，保障頂板深部巖層的支護(hù)穩(wěn)定。

（2）單體錨索形成的預(yù)應(yīng)力帶呈單一環(huán)式結(jié)構(gòu)，且各預(yù)應(yīng)力帶之間相互聯(lián)接，在沿巷道走向方向的頂板中部區(qū)域形成整體性較強(qiáng)的預(yù)應(yīng)力層。然而，若頂板深部巖層支護(hù)僅依靠單體錨索，由于形成的預(yù)應(yīng)力帶范圍小，預(yù)應(yīng)力在頂板深部巖層兩側(cè)幾近為 0，高應(yīng)力作用于復(fù)合頂板巷道時(shí)，頂板易產(chǎn)生較大離層變形，甚至引發(fā)突發(fā)性頂板垮冒。

（3）高強(qiáng)錨桿形成的預(yù)應(yīng)力帶整體呈矩形狀分布，內(nèi)部各單一錨桿間形成的各預(yù)應(yīng)力帶上下左右相互穿插聯(lián)接，組成具有一定厚度較完整的預(yù)應(yīng)力承載層，避免頂板弱結(jié)構(gòu)處變形破壞，且預(yù)應(yīng)力帶影響范圍大，也有利于控制復(fù)合頂板淺部圍巖的離層和變形，保障頂板淺部圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

5 工程實(shí)踐

5.1 方案及參數(shù)設(shè)計(jì)

綜合錨桿索桁架系統(tǒng)流程圖中參數(shù)確定方法及現(xiàn)場(chǎng)巷道工程類比法分析結(jié)果，得出高應(yīng)力大斷面復(fù)合頂板試驗(yàn)煤巷設(shè)計(jì)方案及具體支護(hù)參數(shù)，如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)煤巷頂板支護(hù)布置圖 (單位: mm)Fig.10 Roof support arrangement diagram of cable and bolt of trial coal roadway (unit: mm)

（1）錨索桁架結(jié)構(gòu)

桁架錨索采用φ15.24 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長(zhǎng)8.1 m，錨索眼深7 m，錨固長(zhǎng)度為 1 750 mm。桁架錨索系統(tǒng)中錨索孔口距煤幫1.1 m，預(yù)緊力為120 kN，桁架錨索的排距為1.6 m。

（2）單體錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)

單體錨索為φ17.8 mm，1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨索長(zhǎng)度 7.3 m，單體錨索交替布置在兩組桁架錨索中間，且位于巷道中間位置，排距1.6 m，每排1根。

（3）錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)

錨桿為φ20×2 500 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，錨固長(zhǎng)度為1 050 mm，錨桿的預(yù)緊力矩不小于140 N·m，間排距為800 mm×700 mm。

5.2 井下監(jiān)測(cè)與支護(hù)效果

巷道掘進(jìn)支護(hù)后，對(duì)圍巖變形進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)。巷道頂?shù)装遄冃瘟繛?238 mm，其中，頂板下沉量為166 mm，底臌為72 mm，兩幫移近量145 mm。頂板外離層27 mm，內(nèi)離層15 mm。隨機(jī)抽檢的錨固力大于100 kN頂板錨桿占比在95%以上，錨桿托盤處測(cè)力穩(wěn)定在14 MPa以內(nèi)。從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，頂幫控制效果較好，出現(xiàn)一定的底臌量，但并未影響巷道支護(hù)穩(wěn)定性，支護(hù)安全可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié) 論

（1）高應(yīng)力大斷面復(fù)合頂板煤巷支護(hù)過(guò)程中受剪切應(yīng)力作用明顯，頂板淺部巖層受拉應(yīng)力較大，并隨斷面增加，拉應(yīng)力破壞范圍不斷擴(kuò)展，巷道圍巖變形量增長(zhǎng)幅度頂板最顯著，兩幫其次，底板最弱。

（2）研究了“索-拱”支護(hù)結(jié)構(gòu)為核心的錨桿索桁架系統(tǒng)，從理論上證實(shí)了新型支護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可靠性及控制高應(yīng)力大斷面復(fù)合頂板煤巷離層和圍巖大變形優(yōu)越性。

（3）錨桿索桁架系統(tǒng)對(duì)高應(yīng)力大斷面復(fù)合頂板煤巷支護(hù)效果明顯，支護(hù)試驗(yàn)后巷道頂板變形量?jī)H為原支護(hù)時(shí)巷道變形的 13.8%，頂板內(nèi)、外離層量小，保障了置換煤巷圍巖的安全、穩(wěn)定。

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