楊文峰　馮?，F(xiàn)　李國清

摘要：文章通過理論分析、耦合支護效果分析及工程支護效果分析，分析了復合頂板巷道變形破壞機理，對相應的錨網(wǎng)索支護技術(shù)參數(shù)、支護耦合參數(shù)進行了優(yōu)化，提出針對中國平煤神馬集團平煤股份九礦己16-17煤層復合頂板下的錨網(wǎng)索支護參數(shù)及耦合支護參數(shù)，對復合頂板錨網(wǎng)索支護參數(shù)進行優(yōu)化，提高復合頂板錨網(wǎng)索支護效果。

關鍵詞：復合頂板；支護參數(shù)；三徑匹配；優(yōu)化設計；錨網(wǎng)索支護 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD353 文章編號：1009-2374（2016）02-0155-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.076

復合頂板巷道在煤礦中有廣泛的分布，復合頂板的支護是國內(nèi)外巷道支護的難題之一，復合頂板的變形破壞主要是因錨桿支護的主動支護作用較差，復合頂板各巖層的節(jié)理裂隙發(fā)育，錨網(wǎng)索支護由于初始錨桿（索）初始預應力低，現(xiàn)場施工要求不嚴，錨桿（索）支護初始預緊力不足，層理發(fā)育、關鍵部位支護變形嚴重，加之材料管理混亂，鉆頭、錨桿、錨固劑三徑不匹配等各種原因，使復合頂板的初期離層量和變形量較大，進而頂板的穩(wěn)定性持續(xù)惡化，最終導致復合頂板的大變形以至破壞。為此采用高預應力錨桿（索），提高錨桿（索）的初始預緊力以充分發(fā)揮錨桿（索）的主動支護作用，采用W、M鋼帶或梯形梁、工字鋼組合梁、護板幫等耦合支護，提高現(xiàn)場施工管理，為了研究錨網(wǎng)索耦合支護技術(shù)在復合頂板下的適用性，對我礦己16-17煤層復合頂板原錨網(wǎng)索支護出現(xiàn)的問題及破碎原因進行分析，對我礦己16-17煤層復合頂板錨網(wǎng)索支護參數(shù)進行優(yōu)化，確定具體的耦合支護參數(shù)。

1 工程概況

我單位現(xiàn)施工的己16-17-22051風機兩巷采深較大（-518～-630m），巷道設計斷面為梯形斷面，斷面尺寸凈寬4.6m、凈高3.3m，頂板傾角16°～25°。巷道為全煤巷，沿煤層頂板掘進，其斷面頂、底板及兩幫圍巖主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和煤，圍巖較為松軟，巷道頂板及兩幫壓力較大，受鍋底山斷層影響，工作面隱伏地質(zhì)小構(gòu)造多，局部巷道頂板不穩(wěn)定。

2 原巷道支護情況及支護效果分析

原巷道采用Φ20/Φ22×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（強度335MPa），Φ15.8/Φ17.8×7000mm鋼絞線。原巷道部分巷道變形嚴重，巷道重復維修工程量大、維修成本高，嚴重制約我礦掘進單產(chǎn)單進水平，增大了維修人力成本投入及材料投入，一次支護變形嚴重后二次支護難度加大，后期維修成本高。

錨桿（索）的初始預應力過小、長度有限，使得錨網(wǎng)索支護的主動支護效果得到很大降低，錨桿支護不能有效發(fā)揮作用，圍巖變形更加顯著。一旦受到外部因素擾動，巷道內(nèi)容易形成應力集中，表現(xiàn)為較大的水平應力。該構(gòu)造應力使巷道圍巖沿著各自區(qū)域內(nèi)的弱面破壞，彈性區(qū)一部分進入塑性狀態(tài)，擴大了塑性區(qū)的范圍，使得錨桿在現(xiàn)有長度條件下，不能深入到關鍵承載圈，削弱了錨桿的錨固效果。如果一次錨固效果不佳，使得圍巖穩(wěn)定性遭到很大破壞，增大了后期巷道的支護難度。

3 巷道支護優(yōu)化效果

經(jīng)施工期間，錨桿（索）長度及強度的不斷加強，錨桿從Φ20×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（強度335MPa）到現(xiàn)采用Φ22×2600mm高強讓壓錨桿（強度500MPa），錨索從Φ15.8×6800mm鋼絞線到現(xiàn)采用Φ22×7000mm鋼絞線，到梯形梁、W鋼帶、護幫板（舊U型鋼）的投入，支護效果得到了很大提高，促進了我礦高度、高預應力錨網(wǎng)索支護材料的投入，也取得了一定的效果，優(yōu)化后的支護參數(shù)及耦合支護在我礦得到了進一步的使用，降低了我礦巷道維修成本及投入。

4 巷道支護參數(shù)及耦合參數(shù)優(yōu)化

巷道支護情況的好壞主要取決于錨桿支護形式和參數(shù)的設計。采用錨網(wǎng)索支護時，在圍巖出現(xiàn)破壞、變形之前，錨桿主要通過提供徑向約束和切向約束對錨固范圍內(nèi)的頂板巖層產(chǎn)生圍壓，提高圍巖中弱面的抗剪強度和殘余強度，增強錨固范圍內(nèi)巖層承受水平構(gòu)造應力的能力，避免應力向上轉(zhuǎn)移形成新的破壞區(qū)，錨索主要起懸吊作用，對頂板進行深部錨固，將錨桿支護形成的組合拱承載結(jié)構(gòu)傳遞到堅硬頂板中。這樣錨桿與錨索就組成了耦合支護系統(tǒng)，在巷道頂板形成了耦合承載區(qū)，梯形梁、W鋼帶、護幫板（舊U型鋼）起均衡錨桿受力和提高整體支護作用，提高巷道支護的支護效果。頂部錨桿支護材料選取，按加固拱原理及懸吊理論驗算確定錨桿支護參數(shù)如下，錨桿長度按懸吊理論計算：

4.1 錨桿長度L

錨桿長度的計算公式：

L=L1+kLp+L2

式中：

k——安全系數(shù)，取1.3

L1——錨桿外露長度，取0.1～0.4m

Lp——塑性區(qū)寬度，根據(jù)現(xiàn)場實測，頂板松動圈厚度取1.3～1.4m

L2——錨桿錨入圍巖松動圈之外的深度，取0.4m

實際采用Φ22×2600mm高強讓壓錨桿（強度500MPa）。

4.2 錨固力N

N=π/4·（d2δ屈）

式中：

δ屈——桿體材料屈服強度，500MPa

d——桿體直徑，22mm

N=π/4×0.0222×500×106=190kN

4.3 錨桿間排距

錨桿間距D≤1/2L=1/2×2600=1300mm，取800mm。

錨桿排距L0=nN/（2kraL2）

式中：

n——每排錨桿數(shù)，7根

N——設計錨固力，150kN

k——安全系數(shù)，取3

r——上覆巖層平均容重，24kN/m3

a——巷道掘進寬度之半，2.3m

根據(jù)參數(shù)計算，L=7×190×103/（2×3×24×103×2.3×1.5）=2.677m，取800mm。巷道兩幫錨桿間排距采用800×800mm，符合支護要求。

以上計算為錨桿支護驗算，不含錨索、W鋼帶，為加強巷道支護強度增加錨索、W鋼帶耦合支護。

過構(gòu)造帶期間，由于巷道頂板不穩(wěn)定，巖層層理發(fā)育，復合頂板增厚，如支護效果仍不理想，可以使用已經(jīng)得到支護效果的錨索工字鋼組合梁耦合錨桿支護，提高巷道的支護效果。

優(yōu)化后支護效果，由于有了高預應力長錨桿、長錨索的使用，極大地增加了錨網(wǎng)索支護的主要支護系數(shù)，高預應力錨索的使用調(diào)動了深部穩(wěn)定巖石的錨固強度，同時由于W鋼帶、護幫板的耦合支護效果，巷道支護整體性得到了極大的增強，現(xiàn)場支護效果明顯，巷道圍巖變形顯著減小，巷道斷面的強烈變形得到有效控制。

5 施工期間

施工期間，發(fā)現(xiàn)由于管理不完善，現(xiàn)場職工素質(zhì)有待提高，發(fā)現(xiàn)鉆頭、錨桿（索）、錨固力三經(jīng)匹配落實較差，經(jīng)現(xiàn)場取樣，三經(jīng)不匹配，鉆頭過大，錨固劑過細，都使錨固效果得到很大的降低，所以施工期間加強現(xiàn)場管理，一般桿體直徑與鉆孔直徑的孔徑差應控制在6～10mm，鉆孔直徑與樹脂藥卷直徑之差應為4～8mm。提高錨桿支護與巖層的整體性，提高初始錨固力，以確保施工期間高預應力錨桿（索）支護效果。

6 支護參數(shù)得到優(yōu)化后效果

（1）充分調(diào)動了深部穩(wěn)定巖石的錨固強度；（2）高預應力預緊力支護材料的投入增大了初始錨固強度，提高了初始圍巖的穩(wěn)定程度和初始的錨固強度；（3）耦合支護的使用使巷道的支護整體性得到了極大增強，減少了巷道圍巖變形，巷道斷面的強烈變形得到了很好的控制；（4）加強對施工現(xiàn)場的管理，在相同材料投入的情況下，提高了錨網(wǎng)索支護的支護效果。

7 結(jié)語

（1）高預應力預緊力材料的投入，增大了錨桿的初始錨固效果，提高錨網(wǎng)索支護的預緊力可以提高巷道的支護強度。（2）組合構(gòu)件的支護作用主要表現(xiàn)為：錨桿預應力和工作阻力擴散作用；支護錨桿間圍巖，改善圍巖應力狀態(tài)；均衡錨桿受力和提高整體支護作用；減少錨桿預應力損失的作用。（3）耦合支護的使用提高了巷道支護的整體性，可以極大地降低巷道支護變形，提高巷道整體支護效果。

參考文獻

[1]楊峰，王連國，賀安民，等.復合頂板的破壞機理與錨桿支護技術(shù)[J].采礦與安全工程學報，2008，（3）.

[2]康紅普，吳擁政，李建波.錨桿支護組合構(gòu)件的力學性能與支護效果分析[J].煤炭學報，2010，35（7）.

[3]齊燕軍，東兆星，顏天柱.高應力軟巖煤巷錨網(wǎng)索支護技術(shù)研究[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2006，（2）.

[4]康紅普，姜鐵明，高富強.預應力在錨桿支護中的作用[J].煤炭學報，2007，（7）.

[5]王金華.我國煤巷錨桿支護技術(shù)的新發(fā)展[J].煤炭學報，2007，（2）.

[6]平煤股份公司煤巷錨桿支護技術(shù)規(guī)范[S].2009.

（責任編輯：蔣建華）