深井復合頂板錨網索支護技術研究

王 聰

（徐礦集團生產調度指揮中心， 江蘇 徐州 221000）

0 引言

當前我國淺部煤炭資源逐漸減少，隨著開采延伸，逐步轉為深部開采。深部開采難度大、成本高、開采技術復雜，巷道圍巖支護成本和技術難度加大，深部開采巷道復合頂板所占比例也增多，復合頂板是深部開采巷道布置與支護的技術難題，眾多學者對深部巷道支護技術進行了研究[1-3]。

以某礦30802 運輸順槽為例，巷道埋深650～730 m，而且頂板為復合頂板，破碎嚴重，控頂難度大，針對巷道圍巖現狀，通過現場實測和數值模擬相結合的方式，探求深部復合頂板巷道支護技術，對提高深井巷道支護具有重要意義。

1 30802 工作面概況

某礦3 號煤層30802 工作面為三采區首采工作面，所處水平為+835 m，30802 工作面標高為+857～+895 m。30802 運輸順槽長度為649 m，矩形斷面，巷道凈寬4.5 m、凈高3.2 m，凈斷面14.4 m2。30802 回采工作面東側為設計30804 工作面，西側和南側為三采區回風巷與三采區機軌巷，北側為原天利煤礦舊巷道。30802 工作面地面對應位置為廢棄的村莊和耕地，地面標高約為+1 500 m。運輸順槽長度649 m，可采長度327 m。

30802 回采工作面開采煤層為3 號煤層，賦存于山西組中下部地層中，煤層走向180°～185°，傾向270°～275°，傾角0～8°。煤層平均厚度為5.62 m，煤層厚度穩定，煤層分兩個自然分層，含一層夾矸，為較簡單結構煤層，堅固性系數為1.9～2.0。

煤層直接頂為灰色、粉砂質、碳質泥巖，巖層厚度為1.82 m；基本頂為淺灰色至灰色細粒砂巖，致密、堅硬，成分以石英為主，巖層厚度為8.66 m；煤層直接底為砂質泥巖，含植物化石，巖層厚度為3.78 m；基本底為淺灰色細砂巖，致密、堅硬，成分以石英為主，厚度為4.61 m。由于直接頂為泥巖，其吸水容易發生軟化，使得頂板的整體穩定性降低。隨工作面不斷向前推進，巷道極易發生冒頂、片幫等圍巖破壞現象，應加強巷道頂板的支護，避免礦壓災害的發生。

2 復合頂板巷道破壞機理及控制對策

2.1 破壞機理

深井復合頂板巷道圍巖的破壞原因主要是由于巷道頂板各個巖層的材料、厚度存在較大的差異，各個巖層具有不同的撓度，在頂板的變形過程中極易產生離層，同時不同巖層具有不同的強度，頂板會在強度較小的軟弱層產生裂隙并逐漸發生分層、多次的破壞?？刂茝秃享敯宓姆€定性，需要通過支護手段將復合頂板固定為一個整體，避免軟弱層發生破壞。

2.2 控制對策

30802 運順巷道在開挖初期，圍巖整體狀況較好，支護形式采用錨巖支護，使用錨桿進行加固，巷道支護體的承載能力及狀況較好，巷道圍巖變形在有效可控范圍內，自身穩定性較好。隨著礦井的開采作業延伸，巷道圍巖變形逐漸增大，錨巖支護體的承載能力下降，穩定性變差，應力逐漸移向深部開采區，圍巖變形趨于穩定。30802 運輸順槽，在原有支護體系失穩前，采用六邊形金屬網支撐非錨固區破碎巖體，防止巖體垮落發生。六邊形金屬網具有柔韌性，可以適應圍巖破壞變形，金屬網鋼性為圍巖支撐提供反作用力，可以改善巷道圍巖應力環境。錨索起到錨巖支護體及圍巖穩定作用。經過錨桿和錨索的支護形式，互相作用發揮各自優勢，優化了錨桿支護整體性能，達到30802 運輸順槽控制圍巖變形的目的。非錨定巖層間轉移荷載，錨桿由單點支撐轉換為多個錨桿多點支撐形成支護體系，降低了局部支護強度不足而造成的巷道整體不穩。工程實踐表明，在穩定性較差的巷道錨桿支護中，配合使用金屬網，在動壓巷道中起著重要作用[4-5]。

3 支護參數理論計算

3.1 錨桿直徑的確定

錨桿直徑計算公式如下：

式中：d 為錨桿直徑，mm；Q 為錨桿錨固力，取150 kN；σt為錨桿抗拉強度，取540 MPa。

將相關參數代入式（1）得：d≈18.8 mm。

為達到最佳的支護效果和節約成本，經綜合考慮，兩幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿規格為Φ20 mm，頂板采用的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規格為Φ22 mm，滿足了高錨固力及節約材料和作業便捷的目的。

3.2 錨桿長度的確定

錨桿長度計算公式如下：

式中：L 為錨桿長度，m；K 為安全系數，取2.8；L1為錨桿外露長度，一般取0.1 m；L2為錨桿插入穩定巖層的長度，取0.6 m；H 為自然平衡拱的高度，取0.6 m。

將相關參數代入式（2）得：L=2.38 m，錨桿長度取值為2.4 m。

結合考慮30802 運輸順槽地質狀況及支護參數，確定兩幫錨桿間排距及頂板錨桿間排距為900 mm、900 mm，800 mm、900 mm，滿足巷道使用需求。

3.3 錨索支護參數的確定

根據30802 回采工作面煤層頂底板巖性等地質條件，綜合考慮錨索強度、安全性、成本等方面，確定錨索長度為8.3 m、直徑為21.6 mm。結合錨索參數和實際情況，兩幫錨索間排距設計為1 600 mm、1 800 mm，頂板錨索間排距設計為1 200 mm、1 800 mm。

3.4 支護方案

30802 運輸順槽頂板錨桿，采用規格為Φ22 mm×2 400 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，支護排間距為900 mm、800 mm。采用Φ21.6 mm×8 300 mm 的高強度低預應力錨索，進行補強錨索支護，間排距為1 200 mm、1 800 mm。兩幫采用規格為Φ20 mm×2 400 mm 的螺紋鋼錨桿支護，間排距為900 mm、900 mm。

兩幫及頂板鋪設規格為2 700 mm×1 100 mm 的六邊形金屬網，在鋪設好后進行聯網，金屬網鋪網時網與網及時搭接，兩張金屬網搭接寬度為50 mm。錨索采用300 mm×300 mm×16 mm 的鼓形托盤，錨桿采用150 mm×150 mm×10 mm 的鼓形托盤。

3.5 支護參數數值模擬驗證

根據30802 運輸順槽的實際地質情況，采用FLAC3D 數值模擬軟件建立計算模型，模型尺寸為長×寬×高=50 m×40 m×40 m，共劃分為53 176 個單元，采用莫爾- 庫倫屈服準則建立模型，上表面設置為自由約束，其他各向為固定約束，煤層的埋深為上覆巖層的重力。

30802 運順巷道采用“錨桿索+鋼筋網”聯合支護后，豎向應力分布云圖、巷道垂向位移分布云圖，如圖1 所示。

圖1 巷道圍巖豎向位移、應力分布云圖

由圖1 可看出，采用“錨桿索+鋼筋網”聯合支護技術后，30802 運輸順槽頂板最大下沉量大約為28.6 mm，最大底鼓量約為8.4 mm，圍巖變形量相對較??；同時圍巖豎向應力值約為6.2 MPa，應力分別均勻，無應力集中現象。巷道圍巖的安全穩定性較高，說明采用優化支護方案后，可對30802 運輸順槽圍巖變形進行有效控制，也進一步說明了支護參數的科學合理性。

4 工業性試驗

將“錨桿索+ 鋼筋網”聯合支護技術應用于30802 運輸順槽復合頂板段，并在巷道掘進施工過程中采用“十字布點法”監測巷道頂底板及兩幫的圍巖變形情況，巷道變形曲線如圖2 所示。同時采用兩點位移計以及多點位移計來進行巷道頂板離層量的測量，在運輸順槽中位移計每間隔50 m 布設1 個，每個離層儀布設2 個點，根據上覆巖層的地質條件，位移計的深度分別設計為2.5 m、6.5 m，頂板離層變化曲線如圖3 所示。

圖2 巷道掘進期間圍巖變形曲線

圖3 頂板離層變化曲線

由圖2 可知，在巷道掘進的前15 d，巷道頂底板及兩幫的圍巖變形量不大；在15～36 d 范圍內，巷道底板及兩幫的圍巖變形速率較大；在90 d 后，圍巖變形量趨于穩定，頂底板最大變形量分別為22 mm、74 mm，高、低幫最大變形量分別為55 mm、30 mm，運輸順槽整體斷面的收縮率約為4.8%，圍巖支護效果良好。

由圖3 可以看出，頂板離層量與時間存在著密切關系，離層量變化具有階梯型，在巷道開始進行掘進時，錨桿可以發揮其支護作用，直接頂產生較小的離層。隨后，隨掘進時間的發展，頂板淺部離層量開始增大，在15 d 以后，淺部離層量趨于穩定值5.1 mm；頂板深部離層量在巷道開始進行掘進時較小，之后離層量發生較大的跳躍，在63 d 以后，深部離層量趨于穩定值20.3 mm，巷道頂板整體較為穩定。

5 結論

1）通過采用巷道圍巖錨桿索支護計算公式確定了30802 運順支護參數，數值計算驗證了“錨桿索+鋼筋網”聯合支護技術參數的合理有效性。

2）工業試驗監測結果表明，采用“錨桿索+鋼筋網”聯合支護技術后，運輸順槽整體斷面的收縮率約為4.8%，且30802 運順巷道圍巖變形均處于允許范圍內，支護技術方案能合理有效控制圍巖變形。