【摘 要】通過分析小屯煤礦煤層及頂?shù)装鍘r層特征，建立復(fù)合頂板煤巷頂板損傷力學(xué)模型，分析復(fù)合頂板煤巷頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定原理，并研究埋深、巷道寬度、復(fù)合頂板強(qiáng)度參數(shù)以及損傷參數(shù)等因素對復(fù)合頂板煤巷圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，通過對比分析圍巖控制效果，提出支護(hù)方案，進(jìn)一步推進(jìn)巷道掘進(jìn)工藝技術(shù)發(fā)展的有益嘗試，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合頂板 錨桿 支護(hù)

一、概述

對于復(fù)合頂板煤巷，圍巖的穩(wěn)定控制的關(guān)鍵在于兩個方面：一是控制復(fù)合頂板早期離層和大變形，采用高預(yù)應(yīng)力錨桿及時支護(hù)，增強(qiáng)復(fù)合頂板的層間結(jié)合力，控制復(fù)合頂板離層；二是抑制頂、幫角等關(guān)鍵承載部位剪切破壞，采用強(qiáng)力錨桿支護(hù)提高提高幫角的抗剪能力。與其它巖層相比，復(fù)合頂板煤巷頂板極易離層、下沉，而兩幫為強(qiáng)度小的煤體，在上覆巖層載荷作用下，兩幫圍巖破壞范圍大，相當(dāng)于極大地增加了復(fù)合頂板的寬度，復(fù)合頂板和兩幫煤體相互作用，形成惡性循環(huán)，圍巖條件進(jìn)一步惡化，最終導(dǎo)致復(fù)合頂板煤巷失穩(wěn)破壞，支護(hù)極為困難。

小屯煤礦16中03工作面平均埋深為280 m，煤層厚度穩(wěn)定，平均為2.41 m，煤層傾角1～4°，為近水平煤層，煤層強(qiáng)度較小，為松軟煤層，煤層上方為厚0.9 m、深灰色薄層狀的泥巖，再上為厚1.76 m含1～2層夾矸的6上煤，共同組成6中煤直接頂，為復(fù)合頂板，直接底為厚0.95 m、深灰色較破碎、遇水極易軟化膨脹的泥巖和厚0.47 m、黑色塊狀的W24煤，圍巖整體強(qiáng)度小，16中03工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)后，復(fù)合頂板早期離層、下沉量大，兩幫劇烈移近，底鼓量大，巷道極難維護(hù)。

二、錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

基于復(fù)合頂板煤巷圍巖控制技術(shù)，初選多種支護(hù)方案，運(yùn)用非線性有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析比較，分析各種支護(hù)方案對巷道圍巖變形控制效果，根據(jù)控制圍巖效果好、支護(hù)成本低、施工速度快的原則，確定了16中03工作面運(yùn)輸巷道的錨桿支護(hù)參數(shù)。

（一）支護(hù)模型的確定

根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)條件，確定16中03工作面運(yùn)輸巷數(shù)值計算模型如圖2-1所示。在該模型的基礎(chǔ)上研究在不同支護(hù)方案下，復(fù)合頂板煤巷頂板下沉量、底鼓量、兩幫變形量的變形規(guī)律，從而選擇最優(yōu)的支護(hù)參數(shù)，

（二）錨桿支護(hù)參數(shù)確定

1.錨桿直徑

為有效地控制巷道圍巖的變形和離層，錨桿必須給圍巖可靠的支護(hù)阻力。當(dāng)錨桿材質(zhì)一定時，支護(hù)阻力的大小與桿體半徑的平方成正比。另一方面我國煤礦普遍使用的錨孔直徑為28 mm，適用的錨桿直徑為18～24 mm?？紤]施工機(jī)具因素，確定錨桿直徑為20 mm，能滿足高錨固力、節(jié)約材料、施工方便的要求。

2.頂錨桿長度

為確定合理的頂錨桿長度，在進(jìn)行數(shù)值模擬時，錨桿間排距均為800mm，幫錨桿參數(shù)為Φ20mmL2000mm，頂錨桿參數(shù)為Φ20mm，錨索參數(shù)為Φ17.8mmL7000mm，錨索間排距分別為1600mm和2400mm。通過改變頂錨桿長度，研究分析不同頂錨桿長度對巷道圍巖變形的影響，進(jìn)而確定合理的頂錨桿長度，通過數(shù)值模擬計算，隨著頂錨桿長度的加長，圍巖表面位移不斷減小，當(dāng)頂錨桿的長度從1.8m增加到2.4m，頂板下沉量減小了18.69mm，底鼓量減小24.62mm。因此，考慮控制巷道圍巖變形本設(shè)計確定頂板錨桿長度為2.4m。

3.幫錨桿長度

為確定合理的幫錨桿長度，在進(jìn)行數(shù)值模擬時，錨桿間排距均為800mm，幫錨桿參數(shù)為Φ20mm，頂錨桿參數(shù)為Φ20mm L2400mm，錨索參數(shù)為Φ17.8mm L7000mm，錨索間排距分別為1600 mm和2400 mm。通過改變幫錨桿長度，研究分析不同幫錨桿長度對巷道圍巖變形的影響，進(jìn)而確定合理的幫錨桿長度。通過數(shù)值模擬計算，隨著幫錨桿長度的加長，底鼓量不斷減小，而頂板下沉量和兩幫移近量不斷減小，當(dāng)幫錨桿的長度從1.8 m增加到2.0 m，頂板下沉量減小了9.74 mm，左幫移近量減小21.56 mm，右?guī)鸵平繙p小21.33 mm，底鼓量基本不變。因此，考慮控制巷道圍巖變形本設(shè)計確定幫錨桿長度為2.0 m。

4.錨桿排距

為確定合理的錨桿排距，在進(jìn)行數(shù)值模擬時，錨桿間距800，幫錨桿參數(shù)為Φ20 mm L2400 mm，頂錨桿參數(shù)為Φ20 mm L2000 mm，錨索參數(shù)為Φ17.8 mm L7000 mm，錨索間距為1600 mm。通過改變錨桿排距，研究分析不同錨桿排距對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而確定合理的錨桿排距。通過數(shù)值模擬計算，隨著錨桿排距的加大，圍巖變形整體不斷增加，當(dāng)錨桿排距從700 mm增加到800 mm，頂板下沉量僅增加了3.03 mm，左幫移近量增加了2.19 mm，右?guī)鸵平吭黾恿?.32 mm，底鼓量增加了1.78mm。因此，考慮控制巷道圍巖變形本設(shè)計確定錨桿排距為800 mm。

5.錨索支護(hù)參數(shù)合理確定

錨索支護(hù)的顯著特點(diǎn)是：錨索長度較長，能夠錨入到深部較穩(wěn)定的巖層中，錨索可施加預(yù)應(yīng)力，承載力大。錨索支護(hù)是一種主動支護(hù)，它的應(yīng)用極大地提高了巷道支護(hù)的整體水平，Φ17.8 mm、強(qiáng)度1870MPa的鋼絞線目前使用較為廣泛。

（1）錨索間排距

普氏理論方法是我國計算巷道松動壓力普遍采用的方法。根據(jù)普氏理論有：

代入上述參數(shù)，可以求得N為0.85根/m，可以看出，錨索每排2根，排距2400 mm時，即能保證安全又經(jīng)濟(jì)合理，因此確定錨索的參數(shù)為直徑17.8 mm，間距1600 mm，每排2根，排距為2400 mm。

（2）錨索長度

確定錨索長度及位置時主要應(yīng)考慮載荷高度和穩(wěn)定巖層的賦存情況，載荷高度根據(jù)冒落拱高度進(jìn)行計算，則錨索長度為：

式中：為錨索總長度，m；為錨索超出冒落拱長度，0.5 m；為冒落拱高度，4.12 m；為錨索托盤及索具的厚度，取0.2 m；為需要外露的漲拉長度，取0.25m。

求得錨索的長度為5.07 m，最終確定錨索的長度為7.0 m，因此錨索的最終參數(shù)為直徑17.8mm，間距1600 mm，每排2根，排距為2400 mm，錨索長度7.0m。

三、現(xiàn)場施工試驗

試驗巷道為小屯煤礦16中03工作面運(yùn)輸巷，巷道沿6中煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，采用錨桿配套網(wǎng)片、梯子梁支護(hù)以及錨索加強(qiáng)支護(hù)，巷道凈寬4.3m，凈高2.7m，局部頂板破碎處或遇斷層構(gòu)造帶時，采用減小錨桿排距、安裝單體支柱補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

（一）應(yīng)用支護(hù)方案

經(jīng)過數(shù)值模擬模型的確定、FLAC3D數(shù)值模擬計算，綜合考慮圍巖控制效果、經(jīng)濟(jì)效益，最終確定了16中03工作面運(yùn)輸巷初始支護(hù)方案。

16中03工作面運(yùn)輸巷錨桿支護(hù)參數(shù)、規(guī)格及具體要求見表3-1，錨桿支護(hù)斷面如圖3-1所示。

（二）現(xiàn)場支護(hù)施工工藝

錨桿支護(hù)施工的工序有：鋪網(wǎng)及鋼筋梯、架設(shè)臨時支護(hù)、打錨桿孔、組裝錨桿、攪拌樹脂藥卷、上緊螺母等。

施工工藝要求

1.巷道開挖后，先打頂板錨桿，后打幫錨桿，錨索支護(hù)滯后迎頭3～5 m。2.頂板錨桿錨固力大于100kN；兩幫錨桿錨固力大于80kN，錨索設(shè)計錨固力不小于200kN。3.錨桿外露長度大于20 mm、小于50 mm。4.鋪網(wǎng)搭接長度不得小于100 mm，嚴(yán)禁對接，搭接處，應(yīng)用扎絲扭接聯(lián)網(wǎng)，鋪網(wǎng)必須拉緊并緊貼巖面。5.鋪網(wǎng)時，禁止卸掉第一排錨桿托盤重新壓網(wǎng)，避免二次支護(hù)現(xiàn)象。6.錨桿預(yù)緊力不小于20kN，安裝扭矩不小于200N·m；錨索預(yù)緊力不小于120kN，安裝扭矩不小于1000N·m。7.巷道斷面超過設(shè)計寬度大于300mm，必須采用補(bǔ)打頂錨桿（錨索）或支撐式支架進(jìn)行加固，巷道斷面超過設(shè)計高度大于300mm，必須采用補(bǔ)打幫錨桿進(jìn)行加固。

四、結(jié)語

經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，16中03工作面運(yùn)輸巷兩幫移近量為203 mm，頂?shù)装逡平繛?43 mm，頂板錨固區(qū)內(nèi)外離層最大值為24 mm，錨桿最大載荷為127 kN，錨索最大載荷為185 kN，而20MnSi材質(zhì)錨桿和直徑18.9 mm錨索的破斷力分別在150kN、300kN以上，錨桿錨索仍有很大承載空間，巷道完全能夠滿足礦井通風(fēng)、行人的要求。

經(jīng)現(xiàn)場施工試驗，該項目試驗成功，不但對小屯礦復(fù)合頂板煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的改進(jìn)具有重要意義，而且對復(fù)合頂板煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)具有指導(dǎo)價值，因而有很好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

（一）強(qiáng)力錨桿阻力大、支護(hù)強(qiáng)度高，比其它支護(hù)方式能更有效地控制符合頂板煤巷圍巖的破碎，更有利于安全生產(chǎn)。

（二）在保證巷道同樣有效斷面的前提下，強(qiáng)力錨桿支護(hù)可減小巷道的掘進(jìn)斷面，從而降低掘進(jìn)成本。

（三）小屯礦復(fù)合頂板煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)的研究與應(yīng)用，實現(xiàn)了復(fù)合頂板煤巷一次成巷，減小了巷道的維護(hù)，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度并提高了作業(yè)的安全性。

作者簡介：

孫守義，男，1965年9月生，研究生學(xué)歷，現(xiàn)任貴州大方煤業(yè)有限公司總經(jīng)理，多年來長期從事煤礦建設(shè)生產(chǎn)管理工作。