賀進修

（晉能控股煤業(yè)集團馬脊梁礦機掘一隊，山西 大同 037003）

引言

通常巷道破壞的原理是：巷道開挖后，原巖平衡的應力狀態(tài)被破壞，并伴隨應力集中現(xiàn)象，同時巖體由三軸應力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閱屋S或者兩軸的狀態(tài)，使巖體的承載能力降低，從而造成巷道圍巖的變形和破裂，出現(xiàn)一定區(qū)間范圍內(nèi)的圍巖破壞區(qū)域[1]。此外，再加上巷道圍巖的穩(wěn)定性一般較差，在采動工作面的影響作用下，巷道開挖后，圍巖產(chǎn)生更嚴重的變形甚至破壞，巷道圍巖的破壞程度有圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應力區(qū)等[2]。而對于巷道頂板，依據(jù)穩(wěn)定巖層到頂板的距離、巷道跨度以及穩(wěn)定巖層的穩(wěn)定跨距，可分為穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定四類，本文主要針對不穩(wěn)定頂板的錨桿支護設計展開分析。

1 錨梁網(wǎng)組合支護的作用原理

錨梁網(wǎng)作為巷道支護的重要形式，錨桿索通過相互配合作用，可以使巷道在垂直和水平方向上的巖體錨固一起，進而形成穩(wěn)定的承載結(jié)構，該承載結(jié)構不僅能使圍巖的承載能力增強，防止圍巖的破壞，還能使圍巖的整體承載能力進一步增強。其中，錨梁網(wǎng)組合支護能夠加強承載結(jié)構的穩(wěn)定性，體現(xiàn)在：一是能夠有效避免圍巖淺部破裂巖塊的跨落；二是能夠使圍巖的受力狀態(tài)發(fā)生改變，當錨桿索支護后，圍巖由二向受力轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)，使圍巖由受拉變?yōu)槭軌?；三是能夠形成擠壓加固帶，提高圍巖的強度；四是鋼帶可以加固巖梁，發(fā)揮減跨和降低撓度的作用，很大程度上降低頂板中間位置的受拉程度。

2 煤巷頂板錨桿支護設計研究

對于不穩(wěn)定頂板而言，其表現(xiàn)為頂板穩(wěn)定巖層距離頂板表面的距離比較大，遠遠超出了錨桿的錨固范圍，即便采用可加長或者超長錨桿都不能將錨固段錨固到穩(wěn)定的巖層內(nèi)，此時就需要采用錨索支護的形式，還要搭配金屬網(wǎng)和鋼梁進行支護，而此種情況下的穩(wěn)定巖層還可繼續(xù)作承載層。

對于不穩(wěn)定頂板巷道，其穩(wěn)定巖層距離巷道頂板的距離一般在4～6 m 范圍內(nèi)，頂板呈現(xiàn)出冒落拱結(jié)構，因此，應采用冒落拱理論來進行巷道支護的設計。其中，錨桿支護參數(shù)設計如下：

2.1 錨桿索參數(shù)的分析確定

錨桿索長度的分析確定：

式中：l1為錨桿索錨固長度，其大小由拉拔試驗確定；l2為錨桿索有效長度；l3為錨桿索外露長度，其大小取決于錨桿索托盤厚度、螺母厚度。

錨桿索數(shù)量的分析確定：

式中：PV為錨桿索懸吊的載荷；Rt為錨桿索的承載力；c 為錨桿索的排距；K 為安全系數(shù)。

2.2 鋼帶和金屬網(wǎng)參數(shù)的分析確定

目前，常用的鋼帶類別有W 型鋼帶，其具有護頂面積大、良好的折彎性能，適用于頂板壓力小、巷道礦壓較緩和的巷道；平鋼帶，具有加工制作簡單和較好的護頂面積，僅適用于頂板壓力小、巷道較緩和的巷道；鋼筋梯，具有制作工藝簡單、成本較低，但是不能承受較大的壓力，且護頂面積小，作用有限。

對于金屬網(wǎng)的選擇要注意以下幾個方面：網(wǎng)片要具有較高的剛度和強度；材質(zhì)成本要求較低，制作加工工藝簡單；金屬網(wǎng)要求能夠折疊，利于運輸；具有可彎曲性。

本文以某礦為對象，其頂板為不穩(wěn)定型，根據(jù)上述分析確定本礦巷道支護設計方案為：對于頂板支護，頂板應用加長錨固方式，并結(jié)合錨、網(wǎng)、鋼帶聯(lián)合的巷道支護形式，采用規(guī)格是Φ20 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，間排距是1 000 mm、1 000 mm，每排設置5 根錨桿，樹脂是采用CK 型Φ23 mm×500 mm 一卷、M 型Φ23 mm×500 mm 一卷；頂網(wǎng)采用規(guī)格為1 400 mm×6 000 mm 的金屬網(wǎng)；鋼帶型號是BHW-30-4 400 mm。對于正幫支護，采用玻璃鋼錨桿，規(guī)格為Φ18 mm×1 600 mm，從距離頂400 mm開始，設置4 根錨桿，間排距是600 mm、800 mm，樹脂同樣采用CK 型Φ23 mm×500 mm 一卷，掛塑料網(wǎng)的規(guī)格為2 600 mm×20 000 mm；對于負幫支護，采用A3 鋼錨桿規(guī)格為Φ18 mm×2 000 mm，從距離頂400 mm 開始，同樣設置4 根錨桿，間排距是600 mm、800 mm，樹脂和塑料網(wǎng)的規(guī)格同于正幫。其中，煤巷頂板和兩幫錨桿支護設計方案如圖1 所示。

圖1 不穩(wěn)定頂板情形下，巷道支護設計圖（單位：mm）

為驗證巷道支護的效果，本文主要研究在工作面推進過程中巷道的變形情況，并設置巷道變形監(jiān)測點，其中，監(jiān)測點位于距工作面60 m、45 m、31 m、16 m、2 m，正幫和負幫距煤壁4.5 m、2.0 m 和1.5 m，監(jiān)測兩幫深基點的位移。

圖2 和圖3 分別為兩幫深基點位移的監(jiān)測變化圖。圖2 中，隨著工作面的推進，正幫各深基點的位移變化量不斷增大，4.5 m、2.0 m、1.5 m 位置處的位移值分別是6 mm、3 mm 和2 mm；圖3 中，隨著工作面的推進，負幫各深基點的位移量也同樣逐漸增大，4.5 m、2.0 m、1.5 m 位置處的位移值分別是11 mm、6 mm 和3 mm。

圖2 不穩(wěn)定頂板情形下，正幫深基點位移變化曲線

圖3 不穩(wěn)定頂板情形下，負幫深基點位移變化曲線

通過上述結(jié)果表明，正幫深基點位移最大值是6 mm，負幫深基點位移最大值是11 mm，深基點位移變化比較小，表明該巷道支護方案可行性較強。

3 結(jié)論

1）頂板應用加長錨固方式，并結(jié)合錨、網(wǎng)、鋼帶聯(lián)合支護后，正幫和負幫深基點位移變化量均較小。

2）表明該巷道支護方式不僅能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需要，還可降低支護成本，進而保證巷道的安全使用。