煤礦巷道頂板錨索受力特征與分區(qū)錨固機(jī)理

李永亮，楊仁樹(shù)，溫明睿，路紹杰，李文凱，黃 強(qiáng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)>能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

煤系地層在形成過(guò)程中由于受沉積環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，巖性在豎直方向上交替改變，層理、裂隙、軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面發(fā)育，具有典型的層狀特征[1-2]。在此類(lèi)巖層中掘進(jìn)巷道，由于層狀頂板結(jié)構(gòu)多變，各分層頂板自身承載能力差，抵抗變形能力小，對(duì)工程擾動(dòng)敏感性強(qiáng)，容易產(chǎn)生離層失穩(wěn)，引發(fā)冒頂事故，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)影響大[3-5]。錨桿和錨索是保障煤礦巷道圍巖穩(wěn)定的主要支護(hù)材料，錨索與錨桿相比可施加較大的預(yù)緊力，且可錨固到深部穩(wěn)定圍巖。隨著開(kāi)采深度增加，巷道圍巖賦存環(huán)境惡化，錨索的使用量大幅增加，甚至一些巷道采用全錨索支護(hù)，使巷道圍巖的穩(wěn)定性顯著提高[6-8]。但是隨著錨索服役環(huán)境的變化，大變形巷道逐漸增多，由此引發(fā)的頂板錨索破斷問(wèn)題日益嚴(yán)重。頂板錨索破斷必然造成巷道頂板支護(hù)強(qiáng)度大幅降低，這也是引發(fā)巷道頂板變形失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。我國(guó)學(xué)者針對(duì)不同因素影響下錨桿的軸向荷載傳遞機(jī)理與橫向剪切變形特征進(jìn)行了大量的研究工作[9-15]，而針對(duì)煤礦錨索的研究略顯不足，且大多集中在其軸向錨固效應(yīng)[16-18]。錨索與錨桿在材料屬性方面具有本質(zhì)差異，在錨桿與圍巖相互作用關(guān)系方面的研究成果并不能直接應(yīng)用于錨索。煤礦巷道頂板在撓曲下沉過(guò)程中不僅存在豎向的位移，還有層間的橫向剪切錯(cuò)動(dòng)；但目前一般將錨索視為拉伸構(gòu)件，不能反映其真實(shí)受力特征，且頂板錨索支護(hù)設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)，尤其是有關(guān)錨索的位置布設(shè)、預(yù)緊力大小以及長(zhǎng)度等關(guān)鍵參數(shù)的確定，缺乏科學(xué)理論的支撐。因此，重點(diǎn)研究煤礦巷道頂板錨索的真實(shí)受力特征，探究長(zhǎng)短錨索對(duì)頂板的支護(hù)效應(yīng)，揭示長(zhǎng)短錨索與不同區(qū)域頂板的相互作用關(guān)系，闡明其分區(qū)錨固機(jī)理；最后，提出以長(zhǎng)短錨索為主導(dǎo)的多層次支護(hù)技術(shù)，降低頂板錨索有害受力，避免錨索破斷，保證其服役安全，實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定，以期為類(lèi)似條件下頂板錨索的支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況

趙莊礦是原晉煤集團(tuán)的主力生產(chǎn)礦井，目前主采3號(hào)煤。煤層厚度為4.5 m左右，平均傾角為5°；煤層頂板以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，局部含有軟弱夾層，層理裂隙發(fā)育、分層薄且層間黏結(jié)力差，頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為一類(lèi)比較典型的層狀復(fù)合頂板[2]。該礦井開(kāi)拓巷道為布置在煤層中的大斷面矩形巷道，掘進(jìn)寬度為5.5～5.9 m，高度為4.5 m，一般沿煤層全高掘進(jìn)。由于煤層松軟，頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巷道支護(hù)問(wèn)題一直是制約礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。礦井自建設(shè)以來(lái)開(kāi)拓巷道的支護(hù)方式主要經(jīng)歷了2個(gè)階段。第1階段為普通的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，即以錨桿支護(hù)為主，錨索補(bǔ)強(qiáng)；此階段巷道冒頂事故率高，沿巷道軸向冒頂范圍大，且冒高大多集中在5 m以上，安全問(wèn)題極其突出。第2階段主要是高預(yù)應(yīng)力全錨索支護(hù)，即巷道全斷面采用1×19結(jié)構(gòu)、直徑為21.8 mm的強(qiáng)力錨索支護(hù)，頂板錨索長(zhǎng)度為7.4 m，間排距為1 000 mm×1 000 mm，煤幫錨索長(zhǎng)度為5.4 m，間排距為950 mm×1 000 mm；此階段巷道頂板穩(wěn)定性顯著提高，安全問(wèn)題得到很大改善。但是隨著開(kāi)采深度和巷道服務(wù)時(shí)間的增加，局部區(qū)域圍巖變形嚴(yán)重，單一層次的頂板錨索破斷率高，引發(fā)的巷道圍巖穩(wěn)定控制問(wèn)題嚴(yán)峻。

通過(guò)對(duì)巷道大變形區(qū)域挑頂過(guò)程中揭露錨索的統(tǒng)計(jì)情況可知：錨索平均破斷率達(dá)34%，局部可達(dá)60%；索體斷口位置主要集中在頂板2.0 m范圍內(nèi)的自由段；在巷道頂板每排6根錨索中靠近中部的2根錨索破斷時(shí)其鋼絲多有明顯的頸縮現(xiàn)象，以杯錐狀拉伸斷口為主，而靠近巷道肩角的4根錨索破斷時(shí)斜切斷口較多，且破斷位置多位于層理面處；還發(fā)現(xiàn)靠近頂板肩角錨索破斷時(shí)，而中部顯著撓曲位置的錨索未破斷。以上說(shuō)明錨索在頂板中并不是單純的只承受拉伸荷載，還有橫向剪切荷載。部分破斷的錨索在頂板巖層中的賦存狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 破斷的錨索在層狀頂板內(nèi)賦存狀態(tài)[8]Fig.1 Occurrence state of broken cable bolts in layered roof[8]

2 巷道頂板錨索受力分析

2.1 數(shù)值模型

采用FLAC3D數(shù)值軟件研究頂板不同區(qū)域內(nèi)錨索的真實(shí)受力特征。建立的數(shù)值模型尺寸為40 m×1 m×25 m，模擬的巷道寬度為5.5 m，高度為4.5 m，埋深為600 m，施加的側(cè)壓系數(shù)為1.2。在巷道頂板2.5 m范圍內(nèi)通過(guò)設(shè)置interface單元模擬層理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)頂板條件，分層厚度設(shè)置為0.2、0.3、0.4 m。由于數(shù)值軟件中的cable單元只能模擬錨索的軸向受力，不能反映其真實(shí)受力狀態(tài)。因此，采用fish語(yǔ)言，改進(jìn)數(shù)值軟件中的pile單元模擬錨索，使其可以同時(shí)反映錨索的軸向拉伸荷載和橫向剪切荷載[2，14]。

在巷道頂板中布置一排錨索共6根，間距為1.0 m，錨索的長(zhǎng)度為7.4 m，每根錨索設(shè)置74個(gè)結(jié)構(gòu)單元，錨固長(zhǎng)度為1.5 m。由于巷道頂板錨索布置具有對(duì)稱(chēng)性，處于對(duì)稱(chēng)位置的錨索受力差別不大，取其中靠近巷道一側(cè)的3根錨索進(jìn)行受力分析，從巷道肩角開(kāi)始分別標(biāo)為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)錨索。建立的數(shù)值模型，如圖2所示；所采用的巖層、結(jié)構(gòu)面與錨索的參數(shù)，分別見(jiàn)表1、表2和表3。

圖2 巷道數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of roadway

表1 巖層力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock strata

表2 數(shù)值模型中interface單元參數(shù)Table 2 Interface element parameters in numerical model

表3 數(shù)值模型中錨索參數(shù)Table 3 Cable bolt parameters in numerical model

2.2 頂板錨索真實(shí)受力特征

在建立的數(shù)值模型中，分別研究無(wú)支護(hù)和錨索預(yù)緊力為50、100、150、200、250 kN時(shí)，巷道頂板的變形特征與錨索受力的差異性。

2.2.1 巷道頂板變形

獲得無(wú)支護(hù)和錨索不同預(yù)緊力下頂板的豎向下沉變形結(jié)果，如圖3所示。由結(jié)果可知，頂板的整體變形以撓曲下沉為主，頂板的豎向位移越靠近中部下沉量越大，越靠近兩幫下沉量越小；在無(wú)支護(hù)下頂板出現(xiàn)較為顯著的離層現(xiàn)象和撓曲變形，最大下沉量為628 mm；安設(shè)不同預(yù)緊力的錨索后，頂板下沉變形得到有效控制，離層現(xiàn)象消除；隨著錨索預(yù)緊力的提高，頂板變形量逐漸減小，對(duì)圍巖的控制效果逐漸增大。

圖3 不同錨索預(yù)緊力下巷道頂板豎向變形Fig.3 Vertical deformation of roadway roof under different pretension of cable bolt

2.2.2 錨索軸向拉力

獲得不同條件下錨索的軸向受力結(jié)果，如圖4所示。由結(jié)果可知，錨索的軸向拉力在自由段保持不變，在錨固段隨著長(zhǎng)度的增加逐漸減小。在同一預(yù)緊力下，布置在頂板不同位置的錨索軸向受力具有差異性，越靠近頂板中部其受到的拉力越大。錨索預(yù)緊力提高后，使不同位置錨索的軸向拉力的差值逐漸減小，尤其對(duì)靠近肩角兩根錨索的影響更為顯著，軸向拉力峰值差異度由原來(lái)的52%減小為5%，受力趨于均勻，如圖4f所示。結(jié)合巷道頂板變形特征可知，不同位置錨索軸向拉力的差異性，主要是由于不同位置頂板撓曲變形的不同導(dǎo)致。頂板的豎向位移越靠近中部下沉量越大，導(dǎo)致其軸向拉力增大；靠近巷道兩幫時(shí)頂板豎向位移逐漸減小，使錨索受到的軸向拉力逐漸降低。錨索預(yù)緊力提高后，頂板下沉得到控制，不同位置處下沉量差異性降低，使不同位置錨索的軸向拉力的差值縮小，受力趨于均勻。

2.2.3 錨索橫向剪力

獲得不同條件下錨索的橫向受力結(jié)果，如圖5所示。頂板2.5 m范圍內(nèi)錨索受到的橫向剪力較為顯著，剪力峰值集中在頂板深度0.5～2.0 m，頂板深度大于2.5 m后，錨索基本不受橫向剪力的影響。在同一預(yù)緊力下，頂板錨索越靠近巷幫其剪力越大，而越靠近中部其剪力越小，頂板錨索的橫向剪力分布特征與軸向拉力正好相反。提高錨索預(yù)緊力后，不同位置錨索的剪力峰值的差異性逐漸縮小，巷道肩角兩根錨索受預(yù)緊力的影響更大，剪力峰值差異度由原來(lái)的10%減小為4%，受力趨于均勻，如圖5f所示。結(jié)合巷道變形特征可知，頂板下沉過(guò)程中不僅有豎向的撓曲變形，還有橫向的層間剪切錯(cuò)動(dòng)，中部區(qū)域雖然撓曲變形最大，但其層間剪切錯(cuò)動(dòng)不顯著；而越靠近巷幫其層間錯(cuò)動(dòng)越劇烈，導(dǎo)致錨索的剪力增大。錨索預(yù)緊力提高后，頂板整體位移量減小，靠近巷幫頂板的剪切錯(cuò)動(dòng)亦較為緩和，使錨索的橫向剪切受力趨于均勻。

綜合以上分析可知，煤礦巷道頂板錨索在下位頂板巖層內(nèi)受力相對(duì)復(fù)雜，不僅受到軸向拉伸的影響，還受到橫向?qū)娱g剪切錯(cuò)動(dòng)的作用，即錨索同時(shí)受到軸向拉伸荷載與橫向剪切荷載，這也是現(xiàn)場(chǎng)頂板錨索破斷位置多發(fā)生在頂板2.0 m范圍內(nèi)的主要根源。頂板錨索越靠近中部其拉伸荷載越大，而越靠近幫部其剪切荷載越顯著；提高錨索的預(yù)緊力可有效控制頂板變形，有利于頂板穩(wěn)定，減少錨索有害受力，降低錨索破斷率，進(jìn)而提高整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3 頂板錨索分區(qū)錨固機(jī)理

3.1 長(zhǎng)短錨索支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)

頂板錨索的長(zhǎng)度也是影響其支護(hù)效果的關(guān)鍵因素之一。為了對(duì)比分析不同長(zhǎng)度錨索對(duì)頂板的支護(hù)效果，采用FLAC3D數(shù)值軟件研究不同長(zhǎng)度錨索在頂板中產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)。建立的模型尺寸為25.5 m×1 m×20 m，巷道寬度為5.5 m，高為4.5 m。在巷道頂板中布置一排錨索共3根，錨索的間距為1.5 m，錨固長(zhǎng)度為1.0 m，施加預(yù)緊力為250 kN，模擬錨索的長(zhǎng)度分別為3、4、5、6、7、8 m，共6種。獲得不同長(zhǎng)度錨索的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)，如圖6所示。

圖6 不同長(zhǎng)度錨索支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)Fig.6 Supporting stress field of cable bolts with different length

為了進(jìn)一步說(shuō)明不同長(zhǎng)度錨索對(duì)其錨固范圍內(nèi)圍巖的支護(hù)效果，在不同長(zhǎng)度錨索自由段中部布置一條與頂板平行的測(cè)線(xiàn)，提取每點(diǎn)的壓應(yīng)力，獲得其應(yīng)力分布曲線(xiàn)，如圖7所示。

圖7 不同長(zhǎng)度錨索自由段中部壓應(yīng)力分布Fig.7 Compressive stress distribution in middle of free section of cable bolt with different length

由以上結(jié)果可知，錨索的錨固段會(huì)在圍巖中產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，為了保障其錨固效果，應(yīng)將其錨固在相對(duì)堅(jiān)硬的巖層內(nèi)。錨索在圍巖中產(chǎn)生的壓應(yīng)力疊加主要分布在其自由段，且在托板位置會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的壓應(yīng)力。隨著錨索長(zhǎng)度的增加，在頂板中產(chǎn)生的有效壓應(yīng)力范圍在高度和寬度上均有所增加，說(shuō)明錨索對(duì)圍巖的主動(dòng)支護(hù)范圍越來(lái)越大。當(dāng)錨索長(zhǎng)度不小于4 m時(shí)，隨著錨索長(zhǎng)度的增加，對(duì)其自由段中部圍巖的壓應(yīng)力疊加程度逐漸降低，說(shuō)明錨索長(zhǎng)度增加后對(duì)其錨固范圍內(nèi)圍巖的支護(hù)剛度有降低趨勢(shì)；而錨索長(zhǎng)度為3 m時(shí)，雖然單根錨索能夠產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，但其長(zhǎng)度有限，群體支護(hù)時(shí)預(yù)應(yīng)力在橫向范圍內(nèi)壓應(yīng)力疊加效應(yīng)不顯著，在其自由段中部圍巖的壓應(yīng)力呈波浪型分布。

綜合以上分析可知，在預(yù)緊力一定時(shí)，錨索的長(zhǎng)度增加可使圍巖的主動(dòng)支護(hù)范圍擴(kuò)大，但對(duì)其中部圍巖的主動(dòng)支護(hù)效果降低，此時(shí)短錨索的支護(hù)效應(yīng)優(yōu)于長(zhǎng)錨索；同時(shí)由于錨索長(zhǎng)度過(guò)短，不利于群體支護(hù)效應(yīng)的發(fā)揮。因此，在煤礦巷道頂板錨索支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)其長(zhǎng)度不宜過(guò)短，但也不宜過(guò)長(zhǎng)。

3.2 分區(qū)錨固機(jī)理與多層次支護(hù)

3.2.1 分區(qū)錨固機(jī)理

基于以上分析可知，煤礦巷道層狀頂板撓曲變形過(guò)程中，同時(shí)存在豎向的下沉位移和橫向的層間剪切錯(cuò)動(dòng)。根據(jù)不同區(qū)域頂板變形的差異性，在巷道頂板橫向可將頂板分為3區(qū)，即1個(gè)中心區(qū)，2個(gè)肩角區(qū)，如圖8所示，(C為壓應(yīng)力；T為拉應(yīng)力；箭頭方向?yàn)槭疽鈱娱g的相對(duì)剪切錯(cuò)動(dòng))。位于中心區(qū)的頂板豎向下沉較為劇烈，亦是極易發(fā)生離層的位置，布置在該區(qū)域的錨索更容易由于延伸率不足與頂板大變形不相適應(yīng)而發(fā)生拉伸破斷失效。而位于肩角區(qū)的頂板層間剪切則更為顯著，布置在該區(qū)域的錨索在承受拉伸荷載的同時(shí)，亦承受較大的剪切荷載，更容易發(fā)生剪切破斷失效。因此，布置在頂板不同區(qū)域的錨索，具有典型的分區(qū)錨固機(jī)理。結(jié)合長(zhǎng)短錨索的支護(hù)特點(diǎn)，對(duì)于肩角區(qū)頂板則應(yīng)優(yōu)先采用高預(yù)緊力強(qiáng)力短錨索，發(fā)揮短錨索高剛度的支護(hù)效應(yīng)，對(duì)層理等非連續(xù)結(jié)構(gòu)面施加有效的壓應(yīng)力，增強(qiáng)層間的剪切阻抗，使分層頂板形成連續(xù)且較厚的梁，增強(qiáng)頂板巖梁抵抗變形能力，主控頂板的層間剪切錯(cuò)動(dòng)。對(duì)于中心區(qū)頂板應(yīng)采用高預(yù)緊力強(qiáng)力長(zhǎng)錨索，將短錨索與下位巖層形成的錨固體錨固在深部穩(wěn)定巖層內(nèi)，充分調(diào)動(dòng)穩(wěn)定巖層的承載能力，具有減跨效應(yīng)；同時(shí)錨索長(zhǎng)度的增加，適應(yīng)大變形的能力增強(qiáng)，主控頂板的撓曲離層。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜困難條件下煤礦巷道頂板的穩(wěn)定控制，可采用長(zhǎng)、短錨索結(jié)合的方式，進(jìn)行分區(qū)域錨固。

圖8 層狀頂板巖梁“橫三區(qū)”撓曲變形示意Fig.8 Schematic diagram of flexure deformation of rock beam with layered roof in “Transverse three areas”

3.2.2 多層次支護(hù)技術(shù)

煤礦巷道開(kāi)挖后根據(jù)頂板破壞程度的不同，在豎向可把頂板巖層分為非穩(wěn)定層、亞穩(wěn)定層和穩(wěn)定層。其中非穩(wěn)定層位于頂板淺部，受開(kāi)挖卸荷擾動(dòng)顯著，離層嚴(yán)重，當(dāng)支護(hù)不及時(shí)或者支護(hù)強(qiáng)度低時(shí)極易失穩(wěn)，具有較大的冒頂隱患。亞穩(wěn)定層位于頂板中部，次生裂隙發(fā)育但未完全貫通，圍巖具有一定承載能力，但易向非穩(wěn)定層轉(zhuǎn)化。穩(wěn)定層位于頂板深部，一般處于彈性狀態(tài)，以完整的結(jié)構(gòu)形式存在，屬于較為穩(wěn)定的巖層。通過(guò)對(duì)巷道大量的頂板鉆孔窺視可知，頂板深度0～2.5 m為非穩(wěn)定層，2.5～4.8 m 為亞穩(wěn)定層，大于4.8 m以后為穩(wěn)定層，但穩(wěn)定層內(nèi)局部可見(jiàn)軟弱夾層。針對(duì)巷道復(fù)合頂板呈現(xiàn)薄分層、弱黏結(jié)和軟夾層的特點(diǎn)，基于頂板錨索分區(qū)錨固機(jī)理，提出以長(zhǎng)短錨索為主導(dǎo)，結(jié)合強(qiáng)力長(zhǎng)錨桿的多層次支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)性的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。頂板多層次支護(hù)技術(shù)圍巖控制原理如下：

第1層次：長(zhǎng)錨桿，長(zhǎng)2.8～3.2 m的錨桿，長(zhǎng)度大于非穩(wěn)定層邊界，通過(guò)較高的預(yù)緊力在淺部頂板形成較高的法向應(yīng)力，使分層頂板形成具有較高剪切阻力和較堅(jiān)硬的組合梁，主控下位具有較大冒頂風(fēng)險(xiǎn)的非穩(wěn)定層。

第2層次：短錨索，采用長(zhǎng)約5.4 m的短錨索，主控亞穩(wěn)定層。將短錨索均勻布置在頂板肩角區(qū)域，通過(guò)高預(yù)緊力，發(fā)揮短錨索的優(yōu)點(diǎn)，使預(yù)應(yīng)力有效疊加，增強(qiáng)頂板層間剪切阻力，同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)下位非穩(wěn)定層的控制。

第3層次：長(zhǎng)錨索，長(zhǎng)約7.4 m的長(zhǎng)錨索布置在頂板中心區(qū)，深入到穩(wěn)定巖層以?xún)?nèi)，通過(guò)較高的預(yù)緊力將長(zhǎng)錨桿和短錨索形成的承載結(jié)構(gòu)與深部穩(wěn)定巖層相互擠壓，形成連續(xù)的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，充分調(diào)動(dòng)深部穩(wěn)定巖層承載，同時(shí)消除錨固范圍內(nèi)軟弱夾層的不利影響。

多層次支護(hù)在圍巖中產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)，如圖9所示。通過(guò)連續(xù)的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)肩角區(qū)頂板層間剪切阻抗，減少中心區(qū)頂板撓曲離層，進(jìn)而保證頂板巖梁的連續(xù)性，抑制巷道頂角破壞，形成有效、可靠的支護(hù)系統(tǒng)。需要特別注意的是：由于煤幫作為頂板巖梁的載體，其大范圍破壞必然造成頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的損傷，頂板有效跨度增大，加劇頂板有害變形。因此，必須保證煤幫的支護(hù)強(qiáng)度，為頂板提供持續(xù)有效的支撐，在支護(hù)方案選擇時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持“頂幫協(xié)同”控制的原則。

圖9 多層次支護(hù)在頂板中形成的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)Fig.9 Supporting stress field of multi-level supporting in roof

4 工程實(shí)踐

4.1 支護(hù)方案

試驗(yàn)巷道為五盤(pán)區(qū)的主要運(yùn)輸大巷，埋深約為440 m，沿煤層全高掘進(jìn)，巷道的高度為4.50 m，寬度為5.50 m。為了降低錨索破斷率，有效控制極易離層的復(fù)合頂板，基于頂板錨索分區(qū)域錨固機(jī)理和長(zhǎng)短錨索的支護(hù)效應(yīng)，采用多層次支護(hù)技術(shù)進(jìn)行頂板控制，同時(shí)保證煤幫的支護(hù)強(qiáng)度。具體支護(hù)參數(shù)如下：

4.1.1 頂板支護(hù)

頂板采用長(zhǎng)短錨索、長(zhǎng)錨桿和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，形成3個(gè)支護(hù)層次。金屬網(wǎng)為?6.5 mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。長(zhǎng)錨桿為高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，直徑為22 mm，長(zhǎng)度為3.2 m。間排距為1 000 mm×1 200 mm，錨固長(zhǎng)度為1 675 mm，施加預(yù)緊轉(zhuǎn)矩不小于400 N·m。長(zhǎng)短錨索均為1×19股，直徑為21.8 mm的強(qiáng)力鋼絞線(xiàn)，短錨索的長(zhǎng)度為5.4 m，長(zhǎng)錨索為7.4 m，其中短錨索每排4根，間排距為1 500 mm×2 400 mm；長(zhǎng)錨索每排3根，間排距為1 500 mm×2 400 mm；長(zhǎng)短錨索的錨固長(zhǎng)度均為1 970 mm，施加預(yù)緊力不小于250 kN。

4.1.2 煤幫支護(hù)

煤幫采用短錨索、錨桿和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，金屬網(wǎng)為?6.5 mm的鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。煤幫的頂?shù)捉菫楦邚?qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，其余部位為強(qiáng)力短錨索。其中錨桿的直徑為22 mm，長(zhǎng)度為2.8 m，排距為1 200 mm，頂角錨桿距頂板300 mm，底角錨桿距底板400 mm，頂?shù)捉清^桿與水平方向有10°的偏角，錨固長(zhǎng)度為1 675 mm，預(yù)緊力矩不小于400 N·m。錨索為1×19股，直徑為21.8 mm的強(qiáng)力鋼絞線(xiàn)，長(zhǎng)度為5.4 m，間排距為950 mm×1 200 mm，錨固長(zhǎng)度為1 970 mm，預(yù)緊力不小于150 kN。

以上施工工序完成后，及時(shí)對(duì)頂幫噴射厚度為150 mm的C20混凝土層密閉圍巖。巷道支護(hù)方案示意圖，如圖10所示，(S為索的簡(jiǎn)稱(chēng)，1×19S為1根錨索是由19股鋼絲組成)。

圖10 支護(hù)方案示意Fig.10 Schematic diagram of supporting measures

4.2 支護(hù)效果

巷道掘進(jìn)支護(hù)完成后，布置3個(gè)測(cè)站進(jìn)行為期90 d的礦壓監(jiān)測(cè)，主要包括巷道表面位移和錨桿錨索受力。通過(guò)對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，可得巷道表面位移曲線(xiàn)和錨桿錨索受力曲線(xiàn)，如圖11和圖12所示。其中每個(gè)測(cè)站內(nèi)錨桿和錨索的受力情況類(lèi)似，以其中一個(gè)測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。

圖11 巷道圍巖位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.11 Displacement curves of roadway surrounding rock with time

圖12 錨桿和錨索受力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.12 Axial load curves of rock bolts and cable bolts with time

從巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，3個(gè)測(cè)站內(nèi)頂板最大下沉量為72 mm、兩幫最大移近量為145 mm?？傮w來(lái)說(shuō)，巷道表面位移較小，兩幫移近量不大，整體穩(wěn)定性較好。從錨桿錨索受力變化趨勢(shì)來(lái)看，錨桿錨索受力同步上升，說(shuō)明錨桿錨索起到了協(xié)同承載作用；錨桿和錨索在服務(wù)期間受力增加平緩，且變化不大，這說(shuō)明錨桿錨索有效控制了圍巖的非連續(xù)大變形，尤其是錨固區(qū)內(nèi)圍巖的初期離層、剪切滑動(dòng)、以及內(nèi)部裂隙張開(kāi)與貫通等得到控制，圍巖整體變形小，有利于發(fā)揮圍巖自身的承載能力，避免錨桿錨索有害受力急劇增加。巷道掘進(jìn)完成16個(gè)月后，進(jìn)行井下調(diào)研發(fā)現(xiàn)，頂板穩(wěn)定程度較高，未見(jiàn)異常變形，整體穩(wěn)定性好；同時(shí)對(duì)頂板錨索進(jìn)行張拉抽檢，未發(fā)現(xiàn)錨索破斷現(xiàn)象。綜合以上分析可知，基于頂板錨索分區(qū)錨固機(jī)理，采用以長(zhǎng)短錨索為主導(dǎo)的多層次支護(hù)技術(shù)，可有效解決錨索破斷問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦巷道層狀復(fù)合頂板的穩(wěn)定控制。

5 結(jié) 論

1)煤礦巷道頂板下沉過(guò)程中，錨索同時(shí)承受軸向拉伸荷載和橫向剪切荷載，且具有區(qū)域性受力的差異性，頂板錨索越靠近中部其拉伸荷載越大，而越靠近幫部其剪切荷載越顯著；提高錨索的預(yù)緊力可有效控制頂板變形，減少錨索有害受力。

2)錨索的長(zhǎng)度增加可使圍巖的主動(dòng)支護(hù)范圍擴(kuò)大，而短錨索對(duì)其中部圍巖的支護(hù)剛度優(yōu)于長(zhǎng)錨索。短錨索應(yīng)優(yōu)先布置在頂板的肩角區(qū)，主控層間剪切錯(cuò)動(dòng)；長(zhǎng)錨索應(yīng)優(yōu)先布置在頂板中心區(qū)主控?fù)锨x層，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦巷道頂板的分區(qū)錨固。

3)提出以長(zhǎng)短錨索為主導(dǎo)，結(jié)合強(qiáng)力長(zhǎng)錨桿的多層次頂板支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)的有效疊加，保證頂板巖梁的連續(xù)性，抑制巷道頂角破壞；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果好，解決了頂板錨索破斷難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)層狀復(fù)合頂板的穩(wěn)定控制。