由于應(yīng)力條件、地質(zhì)構(gòu)造及開采動壓影響，煤層頂板出現(xiàn)了大量裂隙，這些裂隙把頂板巖塊切割成許多小塊體。由于頂板的完整性遭到破壞，普通單體錨索支護已經(jīng)不能適應(yīng)破碎頂板的支護要求。破碎頂板的工程地質(zhì)有3方面的特點^[1]：①除層面發(fā)育外，還發(fā)育有多組結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面間貫通性好，將巖體切割破碎；②此類頂板整體強度低，開挖后頂板自穩(wěn)能力差，下沉量大，易出現(xiàn)冒頂；③該類頂板出現(xiàn)于構(gòu)造運動強烈并產(chǎn)生嚴重變形或破裂的巖石中，巷道沿大落差斷層布置時常出現(xiàn)此類頂板，這是斷層附近頂板冒落的原因之一。

壓力拱是巖體為抵抗不均勻變形而進行自身調(diào)節(jié)的一種現(xiàn)象^[2]。如果把圍巖作為一種結(jié)構(gòu)來看，處于壓力拱中的巖石承擔著自身和其上方巖體的荷重，這是確保其上方巖體不會塌落的一個具有拱的力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)。

 

1 試驗巷道地質(zhì)條件

小峪煤礦南Ⅱ盤區(qū)接替緊張，3#煤層4801工作面與2#層3801工作面上下對應(yīng)布置，為了緩減接替緊張的局面，3#煤層4801工作面運輸巷道4201巷只能在上覆2#煤層3801綜采面開采過程中掘進，2#煤層與3#煤層層間距只有2.0～3.5m，屬極近距離煤層，預(yù)計回采動壓對巷道掘進維護有很大影響。如(圖1)所示，3#層直接頂為深灰色粉砂巖，厚2.0～3.5m，裂隙發(fā)育。底板為深灰色泥質(zhì)砂巖，厚度5m。4801工作面設(shè)計走向長400m，傾向長150m。4201巷毛斷面寬×高=3000×3000mm。當3#層4201巷180 m時，距2#層3801工作面為30 m，4201頂板來壓明顯，兩幫煤壁片幫0.2～0.4 m；當3#層4201巷掘到196 m時，與2#層3801工作面煤壁對齊，伴隨采動影響，頂板來壓逐漸強烈，開始發(fā)生斷裂，產(chǎn)生裂隙，頂板較難維護；當3#層4201巷掘到218m時，超出2#層3801工作面煤壁30m，由于開采動壓影響，煤層頂板出現(xiàn)了大量裂隙，由于頂板的完整性遭到破壞，普通單體錨索支護已經(jīng)不能適應(yīng)破碎頂板的支護要求。此時，選擇合理的支護方式顯的尤為重要。

      圖1 3#層4201巷掘進示意圖

2 桁架錨索對破碎頂板的支護作用

2.1破碎頂板的壓力拱及支護特點

    破碎頂板是由裂隙系統(tǒng)切割成的松散巖塊組成的集合體，其自身承載能力低，巖體強度主要由破碎巖塊間擠壓摩擦產(chǎn)生。由于圍巖壓力(特別是水平擠壓力)的作用，破碎巖塊相互擠壓而形成壓力拱，保護壓力拱上方的巖塊不跨落。壓力拱下方的巖石，所受的水平擠壓力很小，巖塊間的摩擦力小于巖塊的重力，如果沒有及時有效的支護，頂板容易跨落。巷道支護的目的是控制圍巖變形和頂板跨落^[3]，為此應(yīng)控制壓力拱的范圍和壓力拱下方巖塊的冒落。單體錨索與頂板是點接觸，在頂板破碎的情況下，控制范圍大幅減少。單體錨索垂直布置，只能提供垂直方向的擠壓力，并且錨固點可能位于壓力拱內(nèi)。壓力拱的承載能力很低，導(dǎo)致錨固點不穩(wěn)定。單體錨索傾斜布置，頂板巖塊項兩幫擠壓，使巷道中部的巖塊易發(fā)生大變形和跨落。

2.2桁架錨索對破碎頂板的支護作用

桁架錨索支護是將受壓狀態(tài)的巷道兩幫上方的深部巖體作為錨固點和承載結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，采用高預(yù)緊力對拉并鎖緊2根鋼絞線，直接作用于壓力拱以下的圍巖提供水平預(yù)應(yīng)力以改善頂板的應(yīng)力狀態(tài)，強化低位巖體的力學(xué)性能和提高其抗變形性能，控制層狀頂板的不協(xié)調(diào)變形^[4]。

桁架錨索是一種能在巷道頂板的水平和垂直方向同時提供擠壓應(yīng)力的主動支護結(jié)構(gòu)，從而使錨固區(qū)內(nèi)的煤巖體處于垂直擠壓和水平擠壓狀態(tài)。桁架錨索預(yù)緊力能對壓力拱下方的圍巖施加水平積壓力，從而增加巖塊間的磨擦力，可有效主動控制巷道頂板的初始下沉。在巷道頂板的彎曲變形過程中，錨索受到的拉應(yīng)力增加，錨固區(qū)內(nèi)的煤巖體受到的擠壓支護力也隨之增加。桁架錨索的錨固點位于巷道兩幫上方深部巖體的穩(wěn)定區(qū)，可以對壓力拱施加壓力，促使壓力拱更加穩(wěn)定。

根據(jù)壓力拱以及桁架錨索的力學(xué)特點，建立力學(xué)模型，如圖所示：

壓力拱下方巖層的范圍可由下式得出：

      （1）

壓力拱下方巖塊的重力Q為

 （2）

其中為上覆巖層容重。分析表明頂板巖層欲得到主動有效控制，必須使施加于桁架錨索結(jié)構(gòu)錨固端的預(yù)緊力F不小于其控制范圍內(nèi)的外力，即

     (3)

其中為桁架錨索與水平面之間的夾角。從式(3)可以得到錨索預(yù)緊力的計算方程。

3 支護方案和效果

3.1應(yīng)用情況

大量的工程實踐證明，桁架錨索是近距離煤層巷道最有效的支護方式，以高強度錨桿為主體支護的聯(lián)合支護是控制圍巖變形最有效、最經(jīng)濟的手段。所以，4202巷選擇桁架錨索、錨桿、鋼帶、鋼筋托梁、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護方式。

1) 頂板支護

錨桿形式和規(guī)格：桿體采用20# 左旋無縱筋螺紋鋼，長度為2000mm，桿尾螺紋為M22mm。

托板：采用拱型高強度托板，托板規(guī)格為100×100×10mm。

W形鋼帶規(guī)格：厚度為3mm，寬度為150mm，長度為2800mm。

金屬網(wǎng)規(guī)格：采用金屬網(wǎng)片護頂，網(wǎng)片規(guī)格為1500×2500 mm，網(wǎng)格規(guī)格為100×100mm。網(wǎng)間搭接長度不小于100mm，用雙股14#鉛絲按不大于300mm的間隔連接牢固。

錨固方式：樹脂加長錨固，采用兩支樹脂藥卷，一支規(guī)格為K2330，另一支規(guī)格為Z2330。鉆孔直徑為28mm。

錨桿布置：錨桿排距×間距= 800×800mm，每排4根錨桿。

錨桿角度：頂板所有錨桿與頂板成90°。

桁架錨索：由兩根錨固鋼絞線和一根連接鋼絞線組成，鋼絞線直徑為f17.8mm，錨固鋼絞線長度為2600mm，連接鋼絞線長度為2800mm。鉆孔直徑為28mm，采用加長錨固，使用兩支樹脂藥卷，一支規(guī)格為K2330，另一支規(guī)格為Z2360。每2排錨桿布置1排桁架錨索，間距1600mm，錨固鋼絞線與鉛垂線成30°。連接鋼絞線必須壓在W形鋼帶上。用雙孔環(huán)行連接器連接錨固鋼絞線與連接鋼絞線。并將以上參數(shù)代人式（3）得預(yù)緊力為105.4KN，因此設(shè)計預(yù)緊力為120 KN能有效防止冒落拱下方的巖石冒落。

2）巷幫支護

錨桿形式和規(guī)格：桿體采用18#左旋無縱筋螺紋鋼，長度為1800mm，桿尾螺紋為M20mm。

托板：采用拱型高強度托板，托板規(guī)格為100×100×10mm。

W形鋼帶規(guī)格：厚度為3mm，寬度為150mm，長度為2800mm。

鋼筋托梁規(guī)格：由f12的鋼筋焊接而成，寬度為60mm，長度為2800mm。

金屬網(wǎng)規(guī)格：采用金屬網(wǎng)片護幫，網(wǎng)片規(guī)格為1500×2500，網(wǎng)格規(guī)格為100×100mm。網(wǎng)間搭接長度不小于100mm，用雙股14#鉛絲按不大于300mm的間隔連接牢固。

錨固方式：樹脂加長錨固，采用一支樹脂藥卷，規(guī)格為Z2360。鉆孔直徑為28mm。

錨桿布置：錨桿排距×間距= 800×800mm，每幫每排布置4根錨桿。

錨桿角度：靠近頂板及底版的巷幫錨桿安設(shè)角度為與水平線成10°。

支護布置如(圖2)所示

 

 

 

圖2  桁架錨索支護參數(shù)布置

 

3）支護材料

① 錨桿

錨桿桿體為左旋無縱筋螺紋鋼筋，專用錨桿鋼材，屈服強度大于400Mpa，延伸率為大于15%。頂板錨桿的桿體公稱直徑為f20mm，桿尾螺紋規(guī)格為M22mm。幫錨桿的桿體公稱直徑為f18mm，桿尾螺紋規(guī)格為M20mm。桿尾螺紋均采用滾壓加工工藝成型，配套高強度拱型托板、高強度螺母、減磨墊圈及球形墊圈，力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)相互匹配。

② W形鋼帶

厚度為3mm，寬度為150mm，外形尺寸與高強度拱型托板相互配套。

③ 鋼筋網(wǎng)片（金屬網(wǎng)片）

金屬網(wǎng)均采用機織菱形金屬網(wǎng)，材料為10＃鉛絲，金屬網(wǎng)片規(guī)格為2500×1500，網(wǎng)孔規(guī)格為100×100mm。

④ 錨索

錨索為7股高強度鋼絞線，公稱直徑為f17.8mm，強度級別1860MPa，最低破斷載荷為353kN，延伸率為3.5%。鋼絞線連接器為雙孔環(huán)行連接器。

⑤ 鋼筋托梁

鋼筋托梁由f12的鋼筋焊接而成，長2800mm，寬60mm。按裝錨桿方孔：長×寬=36×36mm。

4）支護效果

4202巷道施工后及時安裝測站，測量巷道表面圍巖位移的變化情況。觀測正位于巷道中部，測得圍巖位移隨掘出時間規(guī)律。如(圖3)所示。

 

 

圖3  巷道圍巖變形量隨時間變化規(guī)律

在觀測的1個月中，兩幫最大移近量小于164mm，頂板最大下沉量小于235mm。巷道初期收斂速度比后期收斂速度要大，兩幫經(jīng)過10天左右巷道收斂速度就趨于穩(wěn)定，頂板需要較長時間，經(jīng)過20天左右時間以后才趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場實踐證明巷道圍巖控制效果較好。

 

4  結(jié)論

開采動壓影響巷道、近距離煤層巷道支護是大同煤礦集團公司的兩大支護技術(shù)難題，同時受開采動壓和近距離影響的巷道支護更是難上加難，我們通過桁架錨索支護技術(shù)，攻克了開采動壓下近距離煤層巷道支護技術(shù)難題。小峪礦南Ⅱ盤區(qū)4202巷采用桁架錨索支護技術(shù)，既緩減了南Ⅱ盤區(qū)接替緊張的局面，又使巷道支護實現(xiàn)了安全、經(jīng)濟、快速的目的。

4.1 桁架錨索與普通錨索相比，具有以下優(yōu)點：

1）桁架錨索的錨固點為巷道兩肩窩深部巖體，十分可靠，水平預(yù)緊力可以改善頂板的應(yīng)力狀態(tài)，可以消除離層。

2）桁架是通過拉緊的鋼絞線與頂板形成線或面接觸，作用范圍大，加固效果好；

3）鋼絞線抗剪性能強，能夠緩解水平應(yīng)力導(dǎo)致的頂板支護結(jié)構(gòu)的剪切破壞；

4）錨固深度一般只需要3.0～4.0m，施工方便。

4.2 推廣應(yīng)用前景

大同礦區(qū)隨著開采程度和深度的增加，近距離煤層巷道和開采動壓影響巷道越來越多，支護難度也越來越大，以往先是采用一般的錨桿錨索支護方式來對付，然后無限制地增加支護的密度和剛度，既不安全，又造成了巨大的經(jīng)濟損失。通過在小峪礦南Ⅱ盤區(qū)4201巷試驗，桁架錨索具有很好的支護機理，所以在大同礦區(qū)具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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作者簡介：王志剛（1979-），男，山西原平人，助理工程師，大學(xué)本科，2003年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程專業(yè)，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

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