姚強嶺，李英虎，夏 澤，李學(xué)華，王烜輝，晁 寧

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

據(jù)統(tǒng)計，我國每年新掘進煤礦巷道總長達12 000 km，超過75%的新掘巷道采用錨桿支護方式，并且這一比重將繼續(xù)增加。煤系巷道錨桿支護經(jīng)典理論包括：LOUIS A Panek提出的懸吊理論、JACOBIO等提出的組合梁理論、LANG T A等提出的組合拱理論、侯朝炯等提出的巷道錨桿支護圍巖強度強化理論、董方庭等提出的圍巖松動圈理論及GALE W J通過現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬分析得出的最大水平應(yīng)力理論等。依據(jù)錨桿適用條件可將經(jīng)典錨桿支護理論分為3類，一類主要基于處于彈性狀態(tài)的完整巖體建立：組合梁理論認為錨桿主要作用是通過較大的預(yù)緊力將多層薄巖層緊固組合在一起，形成一個較厚的梁結(jié)構(gòu)以增強頂板強度和剛度；組合拱理論認為預(yù)應(yīng)力錨桿在圍巖中形成的壓應(yīng)力區(qū)可在合理設(shè)計條件下彼此連成一個有一定厚度的具有較大承載能力的壓縮拱。第2類則充分考慮了巷道圍巖塑性破壞后處于峰后強度和殘余強度下的破裂巖體力學(xué)特性：松動圈支護理論認為圍巖破裂過程中的巖石碎脹變形是支護的對象，松動圈越大，碎脹變形和圍巖變形量越大，巷道支護也越困難；巷道錨桿支護圍巖強度強化理論認為圍巖中安裝錨桿后可不同程度地提高其力學(xué)性能指標(biāo)與支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。第3類最大水平應(yīng)力理論則更多的是一種支護方法論，著重強調(diào)工程實施應(yīng)用的科學(xué)性。

近年來對于錨桿支護機理的研究主要包括2個方面，一方面錨桿與頂板相互作用形成強度更大的耦合承載結(jié)構(gòu)：如楊建輝等提出了層狀頂板的組合拱梁支護機制理論，通過計算組合拱梁平均應(yīng)力分析出相關(guān)因素對頂板穩(wěn)定性的影響；左建平等通過分析巷道頂板的受力及破壞機理，提出了深部巷道等強梁支護力學(xué)模型，并結(jié)合數(shù)值模擬驗證了該理論的應(yīng)用可行性；另一方面則是錨桿等支護體系能夠?qū)ο锏绹鷰r的自承載結(jié)構(gòu)進行加固：如黃慶享等揭示了巷道圍巖垮落存在自穩(wěn)平衡現(xiàn)象的機制，并提出巷道支護的自穩(wěn)平衡圈理論，多次成功應(yīng)用于軟巖巷道支護；鄭建偉等提出了巷道等效斷面支護原理，認為人工支護的目的是促使圍巖內(nèi)部形成具有一定軸比的“橢圓狀”自承載結(jié)構(gòu)，并利用該理論指導(dǎo)了現(xiàn)場支護設(shè)計。

煤系地層是典型的層狀沉積巖層，圍巖條件復(fù)雜，巷道深部圍巖是力學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的基本頂和基本底，淺部圍巖力學(xué)性質(zhì)相對較差，多為砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)頁巖、粉砂巖、煤線等互層狀間巖層組合，巖層與巖層之間的膠結(jié)較差，受動壓影響后容易產(chǎn)生離層。也存在如單一巨厚硬質(zhì)砂巖結(jié)構(gòu)等頂板類型，而厚度較大的沉積巖由于成巖及后生過程中溫度、壓力等因素的不同，即使在同一巖層的不同位置也會表現(xiàn)出不同的工程地質(zhì)特性，出現(xiàn)層理等結(jié)構(gòu)弱面，導(dǎo)致厚度較大的沉積巖頂板某種程度上具有煤系地層復(fù)合頂板的工程地質(zhì)特性：各分層都具有一定的抗剪、抗壓和抗拉強度，而各層之間黏結(jié)力較弱。

筆者在前人研究基礎(chǔ)之上，考慮沉積巖層固有的層狀特征，通過建立煤系巷道頂板疊加梁力學(xué)模型，研究了錨桿(索)對頂板的主動支護與強化作用；提出了“有效錨固”狀態(tài)與有效錨固層厚度理念，為定量化評價支護方案提供了有益參考。

1 煤系巷道頂板疊加梁力學(xué)分析

煤系巷道疊加梁支護理論基于頂板梁式特征，考慮層間作用，分析未支護巖梁失穩(wěn)特征，對頂板錨固形成的疊加梁結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力分析與強化研究，揭示了錨桿對疊加梁結(jié)構(gòu)的支護作用機理，并給出了定量化表征。

1.1 無支護條件下頂板內(nèi)力分析

煤系巷道頂板在無支護條件下，承載覆巖應(yīng)力及自重，當(dāng)各層頂板受力平衡且保持穩(wěn)定時，經(jīng)層間作用自上向下傳遞至頂板最底層巖層，該層將承受垂直應(yīng)力為

(1)

式中，為巷道支護范圍內(nèi)頂板總層數(shù)；為第層頂板容重，kN/m；為第層頂板厚度，m。

對煤系巷道頂板底層巖梁(以下簡稱巖梁)的受力及變形特征進行分析，作出如下基本假設(shè)：

(1)巖梁滿足連續(xù)、均勻、各向同性的特征，承受垂直與水平應(yīng)力作用；

(2)巖梁兩端在豎直方向的位移被約束，但端部仍可發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)動，可簡化為簡支梁。其力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 煤系巷道頂板底層巖梁力學(xué)模型

由圖1可知，巖梁為對稱結(jié)構(gòu)，其邊界條件為

(2)

式中，為巖梁向下?lián)隙?，m；為巖梁跨度，m。

根據(jù)材料力學(xué)理論，巖梁在垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力共同作用下的彎矩方程()為

(3)

式中，=，為巖梁所受水平應(yīng)力，MPa；為巖梁截面寬度，m；為巖梁厚度，m。

巖梁滿足撓度-彎矩方程：

(4)

式中，為巖梁彈性模量，GPa；為巖梁截面對于中性軸的慣性矩，m。

由式(3)和(4)可得到巖梁撓度表達式為

(5)

巖梁各處正應(yīng)力表達式為

(6)

由式(6)可得到典型巖梁各處應(yīng)力分布。

由圖2可知，巖梁應(yīng)力在跨中達到峰值，應(yīng)力關(guān)于中軸線對稱，軸上方部分為壓應(yīng)力區(qū)域，下方為拉應(yīng)力區(qū)域。巖體抗拉強度遠小于抗壓強度，可判斷巖梁最易失穩(wěn)位置發(fā)生在底邊跨中位置，當(dāng)承載應(yīng)力足夠大時，將由底邊中點發(fā)生輻射狀失穩(wěn)。結(jié)合式(5)，(6)，分析巖梁厚度對其穩(wěn)定性影響。

圖2 典型巖梁應(yīng)力分布

由圖3可知，當(dāng)巖梁具有足夠厚度承載應(yīng)力時，其內(nèi)部不發(fā)生失穩(wěn)；而當(dāng)峰值拉應(yīng)力超出其強度極限時，巖梁由底部開始發(fā)生失穩(wěn)，厚度逐漸減小，且破壞位置向中性軸靠近。當(dāng)厚度減小至一定程度時，底層巖梁撓度快速增加，并破壞至完全垮落。同時，下層頂板離層、破壞使上層頂板在產(chǎn)生底邊自由面后，無充分層間作用保持穩(wěn)定，開始發(fā)生失穩(wěn)，最終導(dǎo)致頂板逐層向上發(fā)生破壞。

圖3 厚度對巖梁失穩(wěn)位置及撓度值的影響

1.2 煤系巷道頂板疊加梁內(nèi)力分析

基于煤系巷道頂板分層特性，針對錨桿錨固范圍內(nèi)巖層協(xié)調(diào)變形并共同承載的特性，建立了煤系巷道頂板巖層-錨桿疊加梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。

如圖4所示，疊加梁結(jié)構(gòu)中各層巖梁之間協(xié)調(diào)變形，滿足力學(xué)與變形條件為

圖4 煤系巷道頂板疊加梁力學(xué)模型

(7)

同時，根據(jù)疊加梁整體承載應(yīng)力特征，可知

(8)

式中，為第層頂板承載的等效垂直應(yīng)力，MPa；為支護密度根/m下預(yù)緊力為的錨桿對疊加梁的主動支護，MPa，可表示為

=

(9)

考慮疊加梁內(nèi)層間作用，可知頂、中、底層巖梁承載等效垂直應(yīng)力，，分別表示為

(10)

式中，和分別為頂層與中層巖梁、中層與底層巖梁的層間作用，MPa。

聯(lián)立式(7)～(10)求解可得

(11)

(12)

(13)

式中，中間參數(shù)表示為

(14)

式中，，為第層頂板對應(yīng)參數(shù)，的取值。

參數(shù)與正相關(guān)，則與巖梁抗彎強度呈負相關(guān)關(guān)系。因此，當(dāng)巖梁抗彎強度大時，其承載等效應(yīng)力更大。即錨桿支護所形成的頂板疊加梁結(jié)構(gòu)，能夠充分發(fā)揮各層巖梁的承載能力，優(yōu)化應(yīng)力分配。

以某淺埋深礦井的回采巷道支護為例，通過計算頂板各層巖梁的抗彎剛度與等效承載應(yīng)力，分析其頂板疊加梁的應(yīng)力分配效果，其參數(shù)及取值見表1。

表1 案例參數(shù)及取值

如圖5所示，通過錨桿支護形成的頂板疊加梁，在整體結(jié)構(gòu)承載水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力時，內(nèi)部3層巖梁因其抗彎剛度不同，各自承載等效應(yīng)力也存在差異，強抗彎性能(6.51 GN·m)的頂層巖梁承載更大的應(yīng)力(5.16 MPa)，弱抗彎性能(0.432 GN·m)的底層巖梁承載較小的應(yīng)力(0.33 MPa)。

圖5 頂板疊加梁各層巖梁等效承載應(yīng)力與抗彎剛度

1.3 錨桿支護對頂板疊加梁結(jié)構(gòu)的強化分析

錨桿與頂板巖層形成疊加梁結(jié)構(gòu)后，頂板的承載能力將得到一定提升，具體表現(xiàn)為變形特征改變以及力學(xué)強度提高，為定量化描述該作用效果，提出支護結(jié)構(gòu)強化系數(shù)與峰值應(yīng)力折減系數(shù)。

..支護結(jié)構(gòu)強化系數(shù)

在提高強度方面，錨桿支護后頂板結(jié)構(gòu)的黏聚力和內(nèi)摩擦角均產(chǎn)生一定變化，其中內(nèi)摩擦角變化幅度較小，可忽略不計。

根據(jù)文獻[26-27]，支護結(jié)構(gòu)的黏聚力可表示為

=+Δ

(15)

式中，為疊加梁結(jié)構(gòu)黏聚力，MPa；為未支護頂板巖體黏聚力，MPa；支護后疊加梁結(jié)構(gòu)黏聚力增量Δ為

(16)

式中，為錨桿屈服強度，MPa；為錨桿截面面積，m；為未支護頂板內(nèi)摩擦角，(°)。

(17)

式中，為未支護頂板抗拉強度，MPa。

定義支護后頂板抗拉強度與原抗拉強度之比為疊加梁支護結(jié)構(gòu)強化系數(shù)，則

(18)

..峰值應(yīng)力折減系數(shù)

因疊加梁結(jié)構(gòu)中錨桿承擔(dān)一定的變形，支護結(jié)構(gòu)整體變形模量發(fā)生變化，根據(jù)文獻[28]，頂板疊加梁錨固體彈性模量′為

(19)

式中，為錨桿彈性模量，GPa；為未支護頂板巖層彈性模量，GPa；為錨桿間距，m；為錨桿排距，m。

由于彈性模量的增大，在承擔(dān)相同的外力作用時，錨固后頂板疊加梁形成的內(nèi)部應(yīng)力小于未錨固頂板。定義支護后頂板峰值應(yīng)力與原峰值應(yīng)力之比為疊加梁應(yīng)力折減系數(shù)，則

(20)

由式(18)和(20)可知，頂板受到錨桿錨固后其黏聚力和彈性模量得到增加，間接提高了錨固結(jié)構(gòu)的抗拉強度與降低了頂板的峰值應(yīng)力。支護結(jié)構(gòu)強化系數(shù)與峰值應(yīng)力折減系數(shù)的主要影響因素包括錨桿與巖層之間的力學(xué)性質(zhì)差異(彈性模量、黏聚力)，錨桿的支護相關(guān)參數(shù)(預(yù)緊力、間排距等)。即在一定范圍內(nèi)，頂板與錨桿力學(xué)強度差異越大，錨桿設(shè)計預(yù)緊力越大、支護密度越高對于疊加梁結(jié)構(gòu)的強化效果越顯著。

2 有效錨固層厚度的計算

為進一步判斷錨桿(索)何時才能發(fā)揮其主動支護作用，使頂板達到“有效錨固”的狀態(tài)，提出有效錨固層厚度作為關(guān)鍵指標(biāo)，對巷道在不同頂板強度、應(yīng)力環(huán)境以及錨桿參數(shù)等條件下的支護效果進行定量化評價。

2.1 煤系巷道頂板的臨界失穩(wěn)厚度

根據(jù)式(6)可以得到，未支護頂板巖梁在巷道應(yīng)力作用下，發(fā)生破壞的位置s為

(21)

式中，為第層頂板巖梁截面對于中性軸的慣性矩，m；t為第層未支護頂板巖梁抗拉強度，MPa；n為第層頂板所承載等效垂直應(yīng)力，MPa。

此時，未支護范圍頂板各層巖梁破壞總厚度為

(22)

在回采巷道全生命周期中，其頂板將承載不同類型的應(yīng)力，其中超前支承壓力作用階段應(yīng)力量級最大，此階段巷道頂板所承載垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力可表示為

(23)

式中，為應(yīng)力集中系數(shù)；為側(cè)壓系數(shù)；為巷道所承載初始垂直應(yīng)力，MPa。

定義巷道在超前支承壓力作用階段各層未支護頂板破壞厚度總和為臨界失穩(wěn)厚度。

=|=,=

(24)

2.2 頂板疊加梁結(jié)構(gòu)的有效錨固層厚度

當(dāng)受到錨桿支護作用時，巷道頂板得到強化，黏聚力與彈性模量提高，根據(jù)式(18)，(20)，(21)，可得到支護作用下頂板巖梁破壞的位置r為

(25)

巷道頂板的“有效錨固”狀態(tài)：在錨桿合理支護作用下，頂板疊加梁承載超前支承壓力的同時各層巖梁均不發(fā)生失穩(wěn)。定義有效錨固層厚度為錨桿(索)作用后，頂板巖梁得到有效支護而保持穩(wěn)定的厚度，表示為

(26)

定義為錨固有效性校核函數(shù)：≥0，即頂板疊加梁有效錨固層厚度大于臨界失穩(wěn)厚度時，錨桿對頂板支護有效；<0，頂板疊加梁有效錨固層厚度小于臨界失穩(wěn)厚度時，支護效果無法保障巷道在回采階段內(nèi)的穩(wěn)定，頂板將發(fā)生失穩(wěn)。

=-

(27)

2.3 有效錨固層厚度與支護校核函數(shù)影響因素

為探究在不同條件下進行煤系巷道頂板支護設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，以表 1中案例為基礎(chǔ)，探討巷道應(yīng)力環(huán)境、頂板力學(xué)性質(zhì)、錨桿強度以及支護設(shè)計參數(shù)等因素對有效錨固層厚度以及錨固有效性校核函數(shù)的影響。

由圖6可知，應(yīng)力集中系數(shù)增加對于錨固效果的削弱明顯，隨應(yīng)力集中系數(shù)的增加，有效錨固層厚度遞減，同時臨界失穩(wěn)厚度增大，導(dǎo)致支護有效性校核函數(shù)逐漸趨于負值，并且當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)超過1.7時，校核函數(shù)值小于0，此時當(dāng)前支護將無法維持巷道穩(wěn)定，需加強支護或采取卸壓方法，維持巷道穩(wěn)定。

圖6 應(yīng)力集中系數(shù)對有效錨固層厚度與校核函數(shù)的影響

以巷道底層頂板的厚度與彈性模量作為研究對象，分析頂板力學(xué)性質(zhì)對有效錨固層厚度與支護校核函數(shù)的影響。

由圖7可知，當(dāng)?shù)讓禹敯宓膹椥阅Ａ吭黾訒r，有效錨固層厚度與支護校核函數(shù)均小幅增加，且后者增量(0.107 m)高于前者(0.045 m)，表明提高巖層彈性模量，既能夠增強巖層自穩(wěn)性，又能促進錨桿對頂板的強化效果。因此，通過采取相關(guān)措施加固頂板，增加其彈性模量，有利于提高支護效果。

圖7 底層頂板彈性模量對有效錨固層厚度與校核函數(shù)的影響

由圖8可知，底層頂板的厚度增加時，有效錨固層厚度與校核函數(shù)值快速增大，增量分別為0.699 m與0.527 m。表明厚度對于頂板強度影響大于彈性模量，主要原因為頂板的抗彎剛度與厚度呈3次正相關(guān)，而與彈性模量僅呈一次正相關(guān)。因此，巷道施工過程中，采取相關(guān)措施保持頂板完整性，有利于提高其抗彎性與穩(wěn)定性。

圖8 底層頂板厚度對有效錨固層厚度與校核函數(shù)的影響

由圖9可知，錨桿的材料強度與支護參數(shù)對有效錨固層厚度的影響均呈類線性正相關(guān)的特點，同時預(yù)緊力與錨桿強度的影響高于支護密度，在較高支護密度(3根/m)下選擇較低屈服強度(300 MPa)與預(yù)緊力(50 kN)的錨桿所能達到的有效錨固層厚度遠小于較低支護密度(1.4根/m)下選擇較高屈服強度(500 MPa)與預(yù)緊力(150 kN)的錨桿。

圖9 錨桿支護密度、屈服強度與預(yù)緊力對有效錨固層厚度的影響

因此，在進行支護設(shè)計時，根據(jù)實際支護條件與支護需求，合理確定錨桿預(yù)緊力、錨桿強度與支護密度搭配，更有利于實現(xiàn)頂板的有效錨固，維持巷道穩(wěn)定。

3 基于巷道頂板疊加梁理論的有效錨固層厚度計算及應(yīng)用

本文詳細論證了煤系巷道頂板疊加梁支護理論，并以該理論為指導(dǎo)，成功應(yīng)用于不同開采技術(shù)條件下的多條巷道支護。以皖北煤電集團任樓煤礦近距離煤層Ⅱ724S工作面回風(fēng)巷為例，利用煤系頂板疊加梁理論指導(dǎo)了該巷頂板支護設(shè)計，并在現(xiàn)場進行了成功應(yīng)用。

3.1 工程地質(zhì)條件

Ⅱ724S工作面與上覆7采空區(qū)的層間巖層厚度變化幅度較大，層間距1.7～13.5 m，平均6.0 m；7與7煤為II類自燃煤層，層間巖層主要為泥巖；該工作面內(nèi)斷層發(fā)育，受斷層影響巷道層理紊亂，尤其當(dāng)相鄰煤層間距較小時，下伏煤層頂板巖層裂隙發(fā)育、完整性較差，易發(fā)生采空區(qū)漏風(fēng)遺煤自燃及頂板失穩(wěn)事故，對巷道圍巖穩(wěn)定控制及安全生產(chǎn)造成不利影響。

Ⅱ724S工作面空間位置關(guān)系如圖10所示，圖中數(shù)字①～④表示工作面采掘順序。

圖10 Ⅱ7324S工作面空間位置關(guān)系

如圖11所示，根據(jù)任樓煤礦Ⅱ724S工作面工程地質(zhì)特征，并結(jié)合頂板巖層圍巖結(jié)構(gòu)鉆孔探測結(jié)果，基于“有效錨固層厚度”在巷道支護中的關(guān)鍵作用，提出在Ⅱ724S工作面回風(fēng)巷掘進期間采用分區(qū)域差異化巷道支護形式，依據(jù)煤層間距劃分為3個區(qū)域：① 區(qū)域Ⅰ，煤層間距大于6 m；② 區(qū)域Ⅱ，煤層間距在4 ～6 m；③ 區(qū)域Ⅲ，煤層間距在2～4 m。

圖11 Ⅱ7324S工作面風(fēng)巷掘進期間頂板分區(qū)

3.2 基于有效錨固層厚度計算的頂板支護設(shè)計

針對Ⅱ724S工作面巷道頂板巖層賦存特征，通過式(26)和(27)可計算得到該頂板形成疊加梁，處于“有效錨固”狀態(tài)時，須達到的最小有效錨固層厚度。并以此為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)該頂板分區(qū)特點，對不同支護形式下有效錨固厚度進行分析和計算，為支護方案設(shè)計提供指導(dǎo)。

為簡化計算過程，開發(fā)了相關(guān)計算軟件輔助設(shè)計，軟件界面如圖12所示。該軟件可根據(jù)所錄入巷道應(yīng)力環(huán)境及頂板力學(xué)條件等參數(shù)，計算臨界失穩(wěn)厚度，結(jié)合相關(guān)支護參數(shù)求解有效錨固層厚度，并評價、校核支護方案是否滿足需求。

圖12 煤系巷道頂板疊加梁支護設(shè)計軟件界面

通過軟件計算，區(qū)域Ⅰ頂板臨界失穩(wěn)厚度為2.52 m；區(qū)域Ⅱ頂板臨界失穩(wěn)厚度為2.21 m；區(qū)域Ⅲ頂板臨界失穩(wěn)厚度為1.47 m。

3.3 Ⅱ7324S工作面回風(fēng)巷支護方案設(shè)計

針對任樓煤礦不同層間距下伏煤層回采巷道圍巖控制問題，為滿足各區(qū)域頂板有效錨固層厚度大于所計算臨界失穩(wěn)厚度的條件，設(shè)計了Ⅱ724S工作面回風(fēng)巷道支護技術(shù)參數(shù)。其支護方案如圖13所示。

圖13 II7324S工作面風(fēng)巷支護方案

..區(qū)域Ⅰ巷道支護參數(shù)

(1)支護材料。頂板布置6根22 mm×2 600 mm左旋螺紋鋼錨桿、3根21.8 mm×6 300 mm(1×19股)錨索，幫部布置4根20 mm×2 400 mm右旋螺紋鋼錨桿，配套高強度螺母(鎖具)、托盤、鋼筋網(wǎng)、W型鋼帶以及樹脂藥卷。

(2)支護參數(shù)。錨桿間排距為800 mm×800 mm；錨索間排距為1 200 mm×800 mm；頂板及幫部錨桿預(yù)緊扭矩分別不小于300 N·m和200 N·m；錨索張拉力為230 kN。

(3)有效錨固層厚度計算。通過軟件計算，區(qū)域Ⅰ有效錨固層厚度為3.13 m，校核函數(shù)=3.13-2.52>0，滿足支護需求。

..區(qū)域Ⅱ巷道支護參數(shù)

(1)支護材料與支護參數(shù)。巷道頂板采用全錨索支護，將區(qū)域Ⅰ巷道頂板錨索改用21.8 mm×6 300 mm中孔注漿錨索，頂板錨桿改用21.8 mm×3 500 mm中孔注漿錨索，短注漿錨索張拉力為220 kN，長注漿錨索張拉力為200 kN；其余幫部支護參數(shù)不變。注漿材料：短注漿錨索采用久米納無機充填加固材料KWJG-3，漿液較稠似漿糊，實現(xiàn)全長錨固；長注漿錨索采用久米納無機充填加固材料KWJG-1，漿液相對較稀易擴散，實現(xiàn)人工造頂。

(2)有效錨固層厚度計算。通過軟件計算，區(qū)域Ⅱ有效錨固層厚度為2.76 m，校核函數(shù)=2.76-2.21>0，滿足支護需求。

..區(qū)域Ⅲ巷道支護參數(shù)

(1)支護材料與支護參數(shù)。巷道頂板采用“多層位全長錨注”加固支護，依據(jù)頂板不同層位巖層圍巖強度及裂隙發(fā)育情況，頂板采用短、中長及長注漿錨索的全錨索支護，短錨索每排6根21.8 mm×3 500 mm中孔注漿錨索，間排距為800 mm×800 mm；中長錨索每排3根21.8 mm×5 300 mm中孔注漿錨索，長錨索每排2根21.8 mm×6 300 mm中孔注漿錨索，中長及長注漿錨索間排距為1 600 mm×800 mm；中長、短注漿錨索張拉力為180 kN，長注漿錨索張拉力為160 kN；中長注漿錨索采用KWJG-3加固材料，其余幫部支護參數(shù)不變。

(2)超前注漿。在巷道掘進工作面前方與頂板夾角45°仰角施工打20 mm×7 000 mm注漿孔，每排5個孔，注漿材料為A,B雙組份速凝無機加固KWJG-4材料，注漿壓力4 MPa，以實現(xiàn)預(yù)先穩(wěn)固開挖工作面的目的。

(3)超前護頂。頂板松軟破碎時打設(shè)管縫錨桿超前護頂，在迎頭前方與頂板仰角5°～10°施工打鉆孔，將43 mm×3 000 mm管縫錨桿砸入孔內(nèi)，間排距400 mm×800 mm。

(4)有效錨固層厚度計算。通過軟件計算，區(qū)域Ⅲ有效錨固層厚度為1.54 m，校核函數(shù)=1.54-1.47>0，滿足支護需求。

3.4 巷道礦壓顯現(xiàn)特征

為檢驗回風(fēng)巷支護效果，在3個區(qū)域巷道地段分別布置測站，監(jiān)測內(nèi)容包括巷道圍巖相對移近量、錨桿(索)受力及圍巖裂隙發(fā)展發(fā)育規(guī)律。

如圖14所示，在巷道掘進期間區(qū)域Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ巷道兩幫相對最大移近量分別為169 ，152和196 mm，頂?shù)装逑鄬ψ畲笠平糠謩e為74，91和105 mm。由前述設(shè)計參數(shù)可知，區(qū)域Ⅰ和Ⅱ設(shè)計錨索拉拔力分別為230和200 kN，現(xiàn)場施工過程中張拉機具均能達到該設(shè)計值，但由于鉆孔施工角度等因素影響，液壓枕實測數(shù)據(jù)均小于張拉機具輸出值；區(qū)域Ⅰ和Ⅱ巷道錨索初始預(yù)緊力均在150 kN以上且隨圍巖變形具有增加趨勢，表明錨索支護范圍內(nèi)巖層錨固有力，錨索受力范圍在150～240 kN，有效發(fā)揮了錨索的支護作用；區(qū)域Ⅲ巷道注漿錨索錨固在具有一定膠結(jié)程度的采空區(qū)內(nèi)，初始預(yù)緊力在120 kN以上，在錨索設(shè)計合理范圍內(nèi)。

圖14 區(qū)域Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ巷道錨桿(索)受力、圍巖變形及裂隙變化

從頂板圍巖裂隙發(fā)育規(guī)律可知，區(qū)域Ⅰ巷道支護方案能有效控制錨固區(qū)內(nèi)圍巖離層及裂隙發(fā)育，保證了錨固區(qū)內(nèi)頂板圍巖強度及完整性；區(qū)域Ⅱ和Ⅲ巷道圍巖裂隙發(fā)育地段注漿效果較好，漿液較好地充填在圍巖裂隙中且膠結(jié)性良好，而采空區(qū)內(nèi)巖層較破碎，超前預(yù)注漿加固使?jié){液注入到破碎巖體內(nèi)，通過擠壓、充填、膠結(jié)及封堵的作用，形成強度高、抗?jié)B透性好及穩(wěn)定性強的再生巖體，頂板的完整性與彈性模量增大，有效錨固層厚度增大，極大地減少錨桿(索)失錨現(xiàn)象，改善了圍巖結(jié)構(gòu)，提高了圍巖強度，充分發(fā)揮了圍巖的自承能力，保障了巷道圍巖穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1)針對煤系沉積巖層狀賦存特征，對頂板底層巖梁進行力學(xué)分析，確定了煤系巷道頂板失穩(wěn)形式，并通過建立疊加梁力學(xué)模型，求解出該結(jié)構(gòu)中內(nèi)力分布特征，分析得到了錨桿(索)對疊加梁結(jié)構(gòu)的支護作用機理，即優(yōu)化不同抗彎剛度條件下各層頂板的承載應(yīng)力分配，充分發(fā)揮各巖層力學(xué)承載性能，控制頂板的整體下沉，同時提高疊加梁的黏聚力及變形模量，間接強化整體錨固結(jié)構(gòu)的力學(xué)承載強度。

(2)提出了“有效錨固”狀態(tài)與有效錨固層厚度的理念，并建立了以有效錨固層厚度及支護有效性校核函數(shù)為關(guān)鍵指標(biāo)的頂板疊加梁支護理論，為不同支護條件下的支護方案對比提供了定量化參考?；诎咐治隽藨?yīng)力集中系數(shù)、頂板力學(xué)性質(zhì)以及錨桿支護密度、屈服強度、預(yù)緊力等參數(shù)對于有效錨固層厚度的影響。

(3)基于煤系巷道頂板疊加梁支護理論，以皖北煤電集團任樓煤礦Ⅱ724S工作面回風(fēng)巷為工程背景，對其在近距離煤層、采空區(qū)下伏成巷條件下進行了頂板支護設(shè)計，根據(jù)層間距在>6，4～6以及2～4 m的3種不同范圍，將該巷道劃分為3個區(qū)域，通過頂板疊加梁結(jié)構(gòu)性分析與有效錨固層厚度計算，分別確定了在不同巷道區(qū)域內(nèi)使用2.6 m錨桿，3.5，5.3以及6.3 m長度的注漿錨索組合方案對巷道頂板進行支護，并結(jié)合現(xiàn)場工業(yè)性試驗驗證了該支護方案的合理性與有效性。

(4)相對于目前已有的錨桿支護理論，疊加梁支護理論能夠為煤系巷道頂板的支護設(shè)計提供定量化參考，但仍存在一定的局限性。一方面，該理論以頂板梁式特征為基礎(chǔ)，以巖體抗拉強度為判斷準(zhǔn)則，對于賦存狀態(tài)為非均一巖梁或存在較多剪切弱面的頂板適用性有限；另一方面錨桿對頂板強化系數(shù)的確定比較理想化，將錨桿對巖體作用簡化為主動支護力，對其內(nèi)部支護應(yīng)力場研究不充分。該理論后期完善重點在于：豐富其工程適用性，對于復(fù)雜條件頂板建立強度等效機制，依據(jù)實驗驗證支護強化系數(shù)，并考慮支護應(yīng)力場對疊加梁支護效果影響。