复合顶煤巷锚带网加锚索联合支护

郭忠平，何希林

摘要：针对煤巷复合顶板的实际情况，探讨了合理的巷道支护方式及参数，并对该支护方式的支护效果进行了矿压观测与评价。
关键词：复合顶板；煤巷；联合支护 
中图分类号：TD353＋.6   文献标识码：A
    复合顶板支护目前仍是新汶矿业（集团）公司推广应用煤巷支护的技术难点之一。翟镇煤矿以往在复合顶板煤巷掘进过程中使用锚杆支护时曾发生过冒顶，在一定程度上影响了煤巷锚杆支护在全矿的推广。为了促进锚杆支护在全矿的应用，对3401西运输巷进行了复合顶板煤巷锚杆支护技术试验研究，并取得了成功。
1、试验巷道的技术条件
    3401西运输巷沿4煤顶板掘进，钻眼爆破法施工，巷道净高2.4m，净宽3. 2m,埋深H＝380-410m，走向700m。．位于3202W面下方，掘进过程中将受到3202W面采动压力影响。4煤厚2.8-3.0m，倾角8º，硬度f=1.5-2，与上部2煤层间距14～15m；直接顶为深灰色泥质粉砂岩，厚1.2～2. 2m，岩石抗压强度22－45MPa，层理发达，裂隙一般，局部夹4煤上1，其上为0.4-0.8m厚的4煤上2，再上为深灰色粉砂岩，厚2. 5-4. 2m；老顶为灰白色中砂岩，厚4. 0m，岩石硬度f＝5-6；底板上部为黑色泥岩，厚0. 25m，其下为0. 5m厚的粉砂岩，再下为1. 0-2. 0m中细砂岩。详见煤层综柱状图1。

2、锚杆、锚索联合支护的支护机理 
    复合顶板支护的难度，在于软夹层（煤线、泥岩）地质弱面的存在，导致上、下层面间的结合力低，普通锚杆无法将其包纳入锚固范围之内，承载能力有限，而且软弱夹层本身的松动膨胀也会对下位岩层形成较大的垂直载荷，易导致顶板垮落。特别是3401W运输巷位于正在开采的3202W面的下方，承受地压和采动压力的双重作用，必须采取一定补强措施，才能确保施工安全。
应用“锚带网＋锚索”联合支护方式可以克服单纯锚杆（锚带网）支护的弊病。“锚带网”可以发挥挤压加固作用，促使锚固范围之内的岩石形成能承受一定载荷的整体结构，维护锚杆长度范围内的顶板，保持整体性，一定程度上阻止上部围岩的松动与变形。考虑到顶板中等稳定的特性，采用W钢带配合金属菱形网来维护顶板。锚索则锚固在上部稳定的老顶岩层之中，发挥其悬吊作用，将潜在的垮落范围之内的顶板岩层悬吊于完整坚固的老顶岩体上，由锚索来承担垮落范围之内的岩层所受的垂直载荷，防止顶板岩层离层。
3、支护参数设计
3.1锚带网支护参数设计
    锚带网的作用在于维护巷道顶板及两帮煤壁的完整性。因此，按照加固拱原理和松动圈理论，进行各参数计算，最终设计的锚带网支护参数为：顶锚杆选用长1. 8m、Ф18全螺纹锚杆，间距0.85m，排距0.7m，采用2个Z2335树脂药卷实现加长锚；帮锚杆采用长1.8m, Ф18车丝螺纹钢锚杆，排距0.7m，上帮间距0. 7m，下帮间距0. 8m，采用1个Z2835型树脂药卷：钢带为BHWZ50—800×2×3200型。
3.2锚索参数设计
    根据煤层顶、底板的实际情况，为保证锚索提供足够的悬吊能力，将锚索锚固于砂岩老顶中，锚索在老顶的锚固长度取1.0m，因此将锚索的总长度设定为6m。上覆岩层潜在垮落范围内直接顶岩层的自重荷载为：
 W=S•γ•D排
式中 S—潜在破坏范围的面积，

      h'－潜在冒高，h'＝1. 5B=4. 8；
      B－巷道宽度，取3. 2m；
      γ－岩体的容重，取24kN/m³；
      D排一锚索的排距，按2排锚杆布置1根锚索设计，取1. 4m。
故  W= 241.9kN
     锚索的悬吊能力P为：P=P1＞W
     P1为锚索的破断载荷，P1＝260kN
3401西运输巷锚杆＋锚索支护总体布置参见图2。

4、巷道矿压观测研究
    为了验证锚杆和锚索联合支护对复合顶板煤巷维护的可靠性，在掘进的同时对巷道进行了表面位移、顶板离层等综合矿压观测。为调整、优化支护参数提供了依据。
4.1矿压观测结果
（1）表面位移量观测。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ测站顶板和两帮变形与时间关系曲线参见图3。

（2）锚杆受力观测。顶部和帮部锚杆受力与时间关系曲线参见图4。

（3）锚索受力观测。锚索受力与时间关系曲线如图5所示。

4.2观测结果分析
    （1）锚杆支护效果
    对表面位移观测的结果为Ⅱ测站因受采动影响，所以变形量较大，其中顶板下沉175mm，两帮移近218mm和102mm，在巷道掘出约15d后，基本趋于稳定，说明此种支护基本合理．从观测到的锚杆受力情况看，都发挥了积极作用，以人工设置改善提高了围岩整体性能，促使围岩形成组合梁、加固拱，以围岩自身的稳定性去承受地压。这是一种积极主动的方式，也是其与架棚的根本区别，从效果看，也优于架棚。随着采面的推进，对位于架棚段的I号测站进行了观测，虽然在800mm棚距的基础上又加了棚，使棚距达到400mm,但顶板下沉量仍达到372mm，两帮移近459mm，部分架棚段已发生顶板冒落，棚梁压弯，棚腿变形蹬出，片帮加剧，采用锚杆支护，即使在经受采动压力和侧向支承压力煤柱压力联合作用下，顶、帮仍具有较高的强度抵抗外力，保持自稳，当受采动影响时，顶锚杆承受了100kN左右的力，帮锚杆承受了80kN左右的力。有效阻止了锚杆锚固范围的顶板离层和煤壁片帮。通过测力锚杆，还分别获得了锚杆所承受的径向力和轴向力，锚杆提供的轴向力增加了顶板各岩层间的摩擦力，阻止了层间的离层锚动，锚杆径向力表明锚杆本身有一定抗剪切能力，提高了顶板抵抗外力维持稳定的能力。
    （2）锚索支护效果
    锚索在整个支护体系中，也发挥了重要作用。Ⅱ测站的锚索力最大达到160kN，这表明锚索已承担来自上覆岩层的载荷。锚索附近的双高度离层指示仪读数为18mm，已进入警戒范围。说明由于4煤上分层等地质弱面的存在，锚杆锚固范围的岩层已同上部稳定岩层发生离层，这种离层下沉若不能有效控制，必须会发展成冒落，锚索的作用正是在离层岩层与上部老顶间建立联系，阻止直接顶下沉，维护上覆岩层的整体结构。在本次试验之前，也曾在此条巷道中进行过锚网支护试验，随着时间的延长和采面的推进，其顶板下沉量最大达300mm以上，为确保安全，又对其部分地段进行架棚，即使如此，顶板仍不断下沉。本次试验，采取锚索支护做为补强措施，Ⅲ、Ⅳ测站的锚索受力稳定，只在很小的幅度内波动；顶板离层值亦不大，都控制在安全范围内．说明锚索作为一种主动支护，能平衡潜在垮落范围内岩层所受载荷，阻止其垮落，进一步增加了围岩的承载能力。
5评价
    试验是成功的，联合支护的突出优点表现在降低了劳动强度，提高了效率；巷道维护效果好，后续工程量减少；节省大量材料，节支降耗效果显著，安全可靠性大。