連曉強(qiáng)

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭煤焦有限責(zé)任公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

1 工程概況

臺(tái)頭礦2S202-1綜采工作面位于運(yùn)輸大巷以南，北為采空區(qū)，西、南為保安煤柱，東側(cè)為2S202 工作面。工作面走向長(zhǎng)度為332 m，傾向長(zhǎng)度為75 m，工作面埋藏深度為189 m。工作面開采2#煤層，煤層厚度為2.8～3.38 m，平均厚度為3.0 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，平均含有兩層夾矸。煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。2S201-1 工作面回風(fēng)順槽沿2#煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面寬×高=4.6 m×3.2 m。由于巷道頂板巖層為復(fù)合軟弱頂板，為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，特進(jìn)行圍巖控制技術(shù)研究。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

2 復(fù)合頂板“拱-梁”支護(hù)與控制對(duì)策

2.1 “拱-梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)

針對(duì)復(fù)合層狀頂板的巷道圍巖，運(yùn)用剛性梁理論中“拱-梁”承載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，采用組合梁力學(xué)模型進(jìn)行錨桿支護(hù)較為合理；當(dāng)巷道內(nèi)采用錨桿（索）支護(hù)時(shí)，由于錨桿（索）在圍巖體內(nèi)預(yù)應(yīng)力的擴(kuò)散作用，從而有效增強(qiáng)了復(fù)合頂板的整體剛度和強(qiáng)度[1-2]，具體“拱-梁”結(jié)構(gòu)模型如圖1。

圖1 “拱-梁”承載結(jié)構(gòu)模型示意圖

錨桿支護(hù)中采用的組合梁理論認(rèn)為，通過對(duì)錨桿施加預(yù)應(yīng)力的方式能夠有效降低復(fù)合頂板各巖層間的相互錯(cuò)動(dòng)作用，錨桿能夠有效地將頂板各巖層組合成厚度更大的組合頂板，提升頂板的整體性，從而極大程度上減小頂板冒落拱的高度[3-4]。巷道頂板巖層在采用預(yù)應(yīng)力錨桿索加固后，其內(nèi)聚力的等效表達(dá)式為：

式中：c'為錨桿支護(hù)后巖體的內(nèi)聚力，MPa；c0為無錨桿時(shí)巖體的內(nèi)聚力，MPa；s為錨桿的屈服強(qiáng)度，MPa；n為錨桿數(shù)量；δs為試件重量，kg；d為錨桿直徑，mm；φ為巖體內(nèi)摩擦角，（°）；

進(jìn)一步結(jié)合摩爾-庫倫準(zhǔn)則能夠得出，頂板在采用錨桿支護(hù)后巖體的抗壓強(qiáng)度為：

式中：δc'為頂板巖層采用錨桿加固后的抗壓強(qiáng)度，MPa；其余參數(shù)的含義同上。

另一方面，頂板采用錨桿支護(hù)后頂板巖層的普式系數(shù)也會(huì)出現(xiàn)一定程度的變化，錨桿支護(hù)后頂板巖層的普式系數(shù)表達(dá)式為：

式中：f'為錨桿支護(hù)后頂板巖石的堅(jiān)固性系數(shù)；其余參數(shù)的含義同上。

綜合上述分析可知，巷道頂板采用錨桿支護(hù)后，頂板圍巖的堅(jiān)固性系數(shù)會(huì)明顯增大，頂板巖層冒落拱的高度也會(huì)逐漸降低，頂板巖層的整體承載能力會(huì)得到提高。

巷道僅采用錨桿支護(hù)時(shí)，無法有效的控制圍巖的變形，由于錨桿的長(zhǎng)度有限，導(dǎo)致錨桿的支護(hù)作用只能在巷道頂板淺部圍巖內(nèi)形成組合梁結(jié)構(gòu)，錨桿在巖層內(nèi)僅僅起到支護(hù)主體的作用。當(dāng)巷道頂板巖層采用錨索支護(hù)時(shí)，錨索能夠作為有效的支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償材料，能夠有效地在錨網(wǎng)支護(hù)中的薄弱環(huán)節(jié)形成加強(qiáng)支護(hù)，并能夠在錨桿支護(hù)下淺部組合梁結(jié)構(gòu)與深部巖層間有效連接，從而整體提升頂板巖層的承載能力，實(shí)現(xiàn)保障巷道圍巖穩(wěn)定的目的。

2.2 圍巖控制對(duì)策

基于2S202-1 回風(fēng)順槽復(fù)合頂板巷道圍巖的具體地質(zhì)條件，結(jié)合“拱-梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)原理及錨索支護(hù)原理，考慮復(fù)合頂板巖層內(nèi)存在較多的薄層，提出巷道圍巖控制技術(shù)采用高強(qiáng)錨桿索支護(hù)。巷道支護(hù)時(shí)首先通過錨桿+錨網(wǎng)的方式對(duì)淺部圍巖體的變形破壞進(jìn)行限制[5-6]，隨后通過錨索的懸吊作用將錨桿作用下形成的淺部承載結(jié)構(gòu)懸吊至穩(wěn)定的巖層內(nèi)。由于回風(fēng)順槽頂板巖層軟弱層較厚，處于錨桿的錨固區(qū)域，因此在該支護(hù)體系中錨索起到主要的承載作用，而錨桿支護(hù)起到次要的補(bǔ)償支護(hù)作用。

3 支護(hù)技術(shù)

3.1 支護(hù)方案

（1）頂板支護(hù)。錨桿采用左旋無縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，規(guī)格參數(shù)為Φ22 mm×2400 mm，間排距為700 mm×800 mm，每排布置7 根錨桿，錨桿配套使用M 型托盤，托盤規(guī)格為長(zhǎng)×寬×高=140 mm×140 mm×10 mm，兩頂角處的錨桿與頂板成15°布置，其余錨桿均垂直于頂板布置，錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m。頂板錨索采用1×7 股高強(qiáng)度鋼絞線，規(guī)格參數(shù)為Φ17.8 mm×6300 mm，錨索布置方式為“3-2-3”，間排距為1500 mm×800 mm，錨索托盤采用鼓形托盤，規(guī)格為長(zhǎng)×寬×高=400 mm×400 mm×16 mm，錨索均垂直于巷道頂板布置，錨索預(yù)緊力為150 kN。頂板表面采用金屬網(wǎng)和雙抗網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，雙抗網(wǎng)布置于內(nèi)部，金屬網(wǎng)布置于外側(cè)，網(wǎng)片間的搭接長(zhǎng)度為100 mm，采用鋼帶進(jìn)行頂板各錨桿（索）間的連接。

（2）兩幫支護(hù)。幫部錨桿規(guī)格參數(shù)同頂板錨桿，幫部錨桿的間排距為700 mm×800 mm，巷道左幫和右?guī)兔颗啪贾? 根錨桿，巷道肩窩和底角處的錨桿分別向上和向下15°布置，其余錨桿均垂直于巷幫布置，錨桿預(yù)緊扭矩為250 N·m，幫部表面同樣采用金屬網(wǎng)和雙抗網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，采用M 型鋼帶進(jìn)行錨桿間的連接。

具體2S202-1 回風(fēng)順槽圍巖支護(hù)布置形式如圖2。

圖2 2S202-1 回風(fēng)順槽支護(hù)布置方式示意圖（mm）

3.2 效果分析

2S202-1 回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，在巷道掘進(jìn)迎頭處布置巷道表面位移觀測(cè)站，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行頂?shù)装遄冃瘟亢蛢蓭鸵平康谋O(jiān)測(cè)分析?；仫L(fēng)順槽掘進(jìn)期間，每間隔30 m 設(shè)置一個(gè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，巷道表面位移每2 d 進(jìn)行一次觀測(cè)?，F(xiàn)取1#測(cè)站和2#測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，1#和2#測(cè)站圍巖變形曲線如圖3。

分析圖3 可知，1#測(cè)站巷道表面位移主要在掘進(jìn)的初期變化較為劇烈，圍巖變形主要集中在巷道掘出后的0～10 d 內(nèi)。在巷道掘出后的0～5 d 內(nèi)圍巖變形速率較大；在巷道掘出時(shí)間5～10 d 內(nèi)，圍巖變形速率開始降低，圍巖變形趨于平緩；當(dāng)巷道掘出10 d 后，圍巖變形量基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形量不再增大，最終頂?shù)装遄畲笠平繛?6 mm，兩幫最大移近量為33 mm。2#測(cè)站圍巖變形速率曲線基本與1#測(cè)站圍巖變形曲線相同，同樣在巷道掘出后10 d 后圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平康淖畲笾捣謩e為18 mm 和26 mm。據(jù)此可知，回風(fēng)順槽在現(xiàn)有高強(qiáng)錨桿索支護(hù)方案下，有效控制了圍巖變形，保障了圍巖的穩(wěn)定。

圖3 巷道表面位移曲線圖

4 結(jié)論

根據(jù)2S202-1 工作面回風(fēng)順槽復(fù)合頂板的具體特征，通過分析錨桿“拱-梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)和錨索支護(hù)原理，確定巷道圍巖控制對(duì)策為高強(qiáng)錨桿索支護(hù)，結(jié)合巷道圍巖特征，具體進(jìn)行錨桿索各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的圍巖變形量觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，支護(hù)方案有效地控制了圍巖的變形，保障了圍巖的穩(wěn)定。