武飛飛

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

馬蘭礦的18506綜采工作面開采的煤層為石炭系太原組8號(hào)煤層，屬于穩(wěn)定可采厚煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中部和中下部均有夾矸，煤層厚度3.80～4.80m，平均為4.5m，煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。工作面位于南五下組煤采區(qū)左翼，西北側(cè)18504工作面正在回采，截至2018年1月10日工作面回采至皮帶巷362m。工作面節(jié)理較發(fā)育，走向?yàn)楸北睎|和北北西向，斷層密度2-11條/10m，對(duì)回采有一定影響。

表1 頂?shù)装逄卣鞅?/p>

18506和18504工作面為大采高一次采全高綜采工作面，準(zhǔn)備巷道的高度等于煤層厚度，18506工作面與正在回采的18504工作面相鄰，正在掘進(jìn)階段的18506工作面的運(yùn)輸順槽變形嚴(yán)重，巷道頂板下沉劇烈、煤幫內(nèi)擠變形劇烈、頂板錨索破斷率高，時(shí)有冒頂事故的發(fā)生，已經(jīng)嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)，需定期進(jìn)行維護(hù)耗費(fèi)了大量的人力、物力，現(xiàn)階段為18506工作面的準(zhǔn)備階段，依據(jù)該礦的具體地質(zhì)條件，對(duì)18506運(yùn)輸順槽支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，選取合理巷道支護(hù)的工藝和方法，保證工作面的正常生產(chǎn)。

2 巷道層狀頂板失穩(wěn)機(jī)理

通常情況下用于地下資源采掘的巷道，其長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)與其巷道寬度，我們可以忽略其長度的影響，將其簡化為平面的問題，巷道兩幫對(duì)上部巖層起支撐作用，上覆巖層在形成期間就是層狀的堆積結(jié)果，我們將頂板簡化為梁來分析其穩(wěn)定性。由于巷道頂板為巖層，而兩幫為煤體，巖層的硬度及完整性均大于煤層，因此在頂板與煤壁接觸處可以簡化為兩端簡支的縱橫彎曲梁，頂板上部巖層對(duì)于頂板的壓力作用簡化為均布載荷q，巷道兩側(cè)的實(shí)體煤巖體對(duì)于頂板水平方向的擠壓作用簡化為水平方向的一對(duì)平衡力，當(dāng)頂板較厚時(shí)，水平方向的力對(duì)于其變形量的影響并不大，而對(duì)于層理發(fā)育良好的頂板巖層，離層為較薄的分層頂板，水平方向的擠壓力就會(huì)很大程度上影響著頂板的彎曲程度。對(duì)于頂板巖層受力簡化為如圖1所示的力學(xué)模型，根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行穩(wěn)定性分析[1]：

梁內(nèi)任意一點(diǎn)的彎矩和撓曲的微分方程為：

圖1 巷道頂板受力模型

式中：M-頂板巖梁彎矩；E-彈性模量；ω-撓度；I-慣性矩。

假設(shè)：

則有：

由力學(xué)模型可知，梁的兩端為實(shí)體煤巖體，其撓度為零，即梁兩端的邊界條件為：

將上述邊界條件帶入式（3）可得：

將式（6）帶入式（3）即可得到任意一點(diǎn)的撓度解析式：

根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)以及經(jīng)驗(yàn)可知頂板中部的撓度（下沉量）最大：

通過對(duì)于頂板巖層的受力分析可知，巷道頂板最易發(fā)生變形破斷的為頂板的中間區(qū)域，當(dāng)各個(gè)巖層的變形量不協(xié)調(diào)時(shí)就易發(fā)生頂板的離層，而且兩側(cè)為比較軟弱的煤體，巷道頂板的下沉量會(huì)較大，在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免頂板的離層，增強(qiáng)其整體性。

3 錨桿錨索對(duì)層狀頂板結(jié)構(gòu)面的加固作用

1）組合梁理論。組合梁理論認(rèn)為，巷道頂板有多個(gè)巖層，可以看作是一種以道路兩側(cè)為支點(diǎn)的梁。錨桿用于將層結(jié)合成整體的組合梁，以防止巖石沿著層滑動(dòng)并避免層的分離。在上覆載荷作用下，該厚復(fù)合梁的最大彎曲應(yīng)變和應(yīng)力將大大減小，并且偏轉(zhuǎn)也將減小。根據(jù)組合梁理論建立如圖2所示的受力模型，在未進(jìn)行錨桿支護(hù)時(shí)，巷道頂板巖層為單獨(dú)的層狀薄板，在豎直方向上的應(yīng)力及水平力的作用下發(fā)生彎曲變形，并且存在著水平方向上的相互錯(cuò)動(dòng)，頂板下沉量會(huì)較大，如（a）所示；而經(jīng)過錨桿支護(hù)后將頂板巖層的軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行加固，將頂板巖層聯(lián)結(jié)為一個(gè)更為完整的梁，根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，其彎曲變形在同等受力條件下會(huì)大大減少[2]。

圖2 組合梁結(jié)構(gòu)示意圖

2）懸吊理論。錨的懸吊作用是在上部穩(wěn)定巖層中懸掛巷道頂部的不穩(wěn)定巖層，主要用于層狀巖體中。通過彎曲，變形和老頂分離的直接頂部錨固件懸掛在關(guān)鍵層，減少和限制了直接頂板的下沉量和分離，達(dá)到維護(hù)頂板穩(wěn)定以及支撐的目的;如果巷道上部巖層中的淺部巖層軟弱破碎，在巷道開挖導(dǎo)致地應(yīng)力二次分布，老頂上方形成破裂帶，此時(shí)，利用錨桿的懸掛功能將破碎巖體的一部分懸掛在上部未松散堅(jiān)硬巖體上。

綜上所述，錨桿和錨索對(duì)層狀頂板結(jié)構(gòu)面的加固作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）錨桿錨索安裝時(shí)施加高預(yù)應(yīng)力，使頂板巖層間的層理裂隙閉合，錨桿和圍巖形成一個(gè)整體，我們進(jìn)行巷道圍巖穩(wěn)定分析時(shí)應(yīng)將其看作一個(gè)整體，即錨固體。

2）錨桿的安裝改善了巷道圍巖的力學(xué)性能，使圍巖的峰值強(qiáng)度、峰值后強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度得到提高;

3）與普通斷裂巖體相比，錨固體破壞前后的力學(xué)性能得到了改善。因此在巷道失穩(wěn)形變過程中錨桿一直沒有喪失其功能。

4 大斷面煤巷層狀頂板多層次支護(hù)技術(shù)

為了有效的避免18506工作面運(yùn)輸順槽頂板巖層離層，巷道變形量過大，結(jié)合著錨桿支護(hù)的組合梁理論、懸吊理論對(duì)大斷面煤巷層狀頂板的穩(wěn)定性控制進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，主要的目的是，增強(qiáng)巷道頂板的連續(xù)性，避免頂板巖層之間的相互錯(cuò)動(dòng)，加強(qiáng)巷道頂角處變形的治理，減少巷道的整體變形量。設(shè)計(jì)的錨桿、錨索支護(hù)體系主要的原則為“長短結(jié)合、強(qiáng)弱結(jié)合、疏密結(jié)合”，根據(jù)馬蘭礦18506工作面回采巷道頂板的具體條件：頂板跨度大、層間粘結(jié)性不強(qiáng)、層間含有較多軟弱夾層等，設(shè)計(jì)應(yīng)用以長錨桿、短錨索和長錨索為主體結(jié)構(gòu)的支護(hù)體系，來提高圍巖的整體性，有效地降低由于巷道開挖對(duì)于頂板的破壞[3]。

1）長錨桿；錨桿長度為2.8到3.2m之間，錨桿長度必須大于極易冒頂?shù)姆欠€(wěn)定層邊界，采用全長錨固，盡可能的將層狀頂板聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，避免巖層間的錯(cuò)動(dòng)，根據(jù)18506運(yùn)輸順槽跨度較大、頂板分層較多并且非常薄，必須利用錨桿提供的預(yù)緊力在淺部頂板形成較高的法向應(yīng)力，綜合考慮設(shè)計(jì)頂板采用MSGLW-500/22-3200型高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排距1.2m，間距1.0m，與兩幫煤壁的距離為0.25m。兩幫采用MSGLW-500/22-2800型高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，排距為1.2m。

2）短錨索；錨索長度為5.4m，該類型的錨索主要作用于非穩(wěn)定層和深部穩(wěn)定巖層之間的亞穩(wěn)定巖層，增強(qiáng)該區(qū)域內(nèi)巖層的整體性，增加頂板層間滑移阻力，在一定程度上繼續(xù)提高非穩(wěn)定層的整體性，提高其自穩(wěn)能力，將巷道頂板處的應(yīng)力集中轉(zhuǎn)化為一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)來承載。根據(jù)巷道的具體情況選用采用SKP22-1/1720-5400型錨索，頂板短錨索排距為2.4m，間距為1.5m，與兩側(cè)煤壁的距離均為0.4m，對(duì)稱布置；煤幫采用相同型號(hào)的短錨索，排距為1.2m，間距為0.95m。

（3）長錨索；錨索長度為7.4m，根據(jù)懸吊理論，將非穩(wěn)定層及亞穩(wěn)定層聯(lián)結(jié)的整體通過長錨索懸吊與上部的穩(wěn)定層中，有效地降低巷道頂板的應(yīng)力集中，增強(qiáng)巷道周圍煤巖體的整體性。根據(jù)回風(fēng)順槽頂板的發(fā)育情況，選用型號(hào)為SKP22-1/1720-7400型錨索，錨索的間排距與短錨索相同，與煤壁的距離為1.25m。

圖3 多層次錨桿支護(hù)示意圖

經(jīng)過各個(gè)層次的支護(hù)設(shè)計(jì)，18506工作面回風(fēng)順槽巷道圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)詳細(xì)情況如圖3所示，在安裝錨索位置處焊接兩段縱筋，在錨桿排距之間鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)型號(hào)為GW6.5/100-2.3×1.35，防止小塊煤巖體的掉落，在巷道兩個(gè)頂角處錨桿采用斜打頂角錨桿，抑制巷道的形狀扭曲，錨桿、長錨索及短錨索形成連續(xù)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)共同承載，最終達(dá)到保證圍巖的長期穩(wěn)定的目的。

圖4 巷道圍巖變形量監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié) 論

巷道支護(hù)完成，待18506大采高綜采工作面進(jìn)入到回采階段后，為了考察支護(hù)體系的效果，在距離開切眼30m、60m、100m分別布置了巷道位移量的監(jiān)測站1、2、3號(hào)，進(jìn)行了為期三個(gè)月的監(jiān)測活動(dòng)，得到的數(shù)據(jù)整理后結(jié)果如圖4所示。

從巷道表面位移監(jiān)測結(jié)果可知，在工作面回采期間，巷道頂板位移最大為70mm，兩幫最大位移為145mm，并且變形集中在巷道成型后的40天內(nèi)，之后巷道圍巖基本穩(wěn)定，可以說明取得了良好的支護(hù)效果。