淺部復(fù)雜地層巷道錨索網(wǎng)支護技術(shù)研究

方喜春

（山西煤炭運銷集團泰安煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 034000）

引言

煤炭是我國一次能源的重要組成部分，煤炭資源開采過程破壞了巷道圍巖或工作面煤巖體的完整穩(wěn)定性，在水土壓力和采動壓力作用下，巷道圍巖極易產(chǎn)生破壞變形，進而導(dǎo)致頂板冒落、幫部偏幫等生產(chǎn)事故，嚴重影響巷道掘進和工作面開采時的安全性。傳統(tǒng)的錨桿支護方法在增強巷道圍巖承載能力方面作用突出，但是在相鄰錨桿菱形加固范圍之外靠近巷道臨空面一側(cè)的圍巖，在采動壓力和上覆巖層水土壓力作用下容易破壞變形，破壞錨桿加固區(qū)的完整性，造成應(yīng)力集中。錨索網(wǎng)支護技術(shù)在提高巷道圍巖承載能力的同時，可以確保巷道圍巖的完整穩(wěn)定，極大提高了巷道的安全性。

1 淺部圍巖錨索網(wǎng)支護技術(shù)的特點

1.1 巷道破壞變形過程

巷道變形失穩(wěn)的主要原因是巷道圍巖內(nèi)塑性區(qū)的破壞變形，破碎圍巖承載能力較低，在上覆巖層水土壓力和采動壓力作用下，巷道失穩(wěn)變形。淺部煤層開采過程中，巷道埋深較淺，上覆巖層水土壓力較小，巷道掘進后的受力簡圖如圖1 所示，a 為巷道內(nèi)徑，R0為塑性區(qū)半徑，巷道掘進過程中巷道圍巖受到上覆水土壓力Pi和巷道內(nèi)支護壓力P0的作用，當(dāng)巷道上覆巖層水土壓力Pi與巷道內(nèi)支護壓力P0的差值大于巷道塑性區(qū)圍巖的承載能力時，巷道塑性區(qū)內(nèi)圍巖破壞變形，巷道變形失穩(wěn)；當(dāng)巷道上覆巖層水土壓力Pi與巷道內(nèi)支護壓力P0的差值小于巷道塑性區(qū)圍巖的承載能力時，巷道趨于穩(wěn)定。

圖1 巷道掘進受力簡圖

1.2 淺部煤層支護特點

與深部煤層開采相比，在淺部煤層開采中，巷道上覆巖層的水土壓力較小，巷道圍巖內(nèi)的塑性區(qū)半徑較小，巷道支護過程中，錨桿錨索的支護間距應(yīng)適當(dāng)增大，避免錨索網(wǎng)支護效能的浪費；巷道掘進后，因巷道掘進導(dǎo)致的圍巖破壞變形量較小，在巷道臨空面施作鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，從而為維護巷道圍巖整體性提供了可行性。錨索網(wǎng)利用錨桿錨索和鋼筋混凝土支護巷道的機理為通過向巷道內(nèi)部植入錨桿錨索，增強巖層間的黏聚力，增強塑性區(qū)內(nèi)圍巖的強度，增加了塑性區(qū)內(nèi)圍巖的承載能力，同時減少巖層的離層現(xiàn)象，使巷道周圍各層煤巖體形成整體性較好的組合梁（拱）結(jié)構(gòu)，增強巷道圍巖對抗上覆圍巖水土壓力和采動壓力的能力。通過施作兩層鋼筋混凝土支護結(jié)構(gòu)約束巷道臨空面上煤巖體的破碎變形，第一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用來防止錨桿菱形加固區(qū)外采煤巷道一側(cè)煤巖體的破碎脫落而破壞巷道圍巖的完整性，從而維持采煤巷道周圍煤巖體的完整穩(wěn)定。當(dāng)采煤巷道某處頂板或側(cè)幫的煤巖塊從圍巖上脫落時，第一層鋼筋混凝土在約束巷道變形的同時，可以通過自身的破斷變形吸收一部分煤巖體變形，避免應(yīng)力和應(yīng)變直接作用第二層鋼筋混凝土上，提高了支護結(jié)構(gòu)的可靠性，起支撐和緩沖水土壓力作用；第二層鋼筋混凝土起支撐第一層鋼筋混凝土的作用，約束第一層鋼筋混凝土的變形，作用方向從巷道臨空面指向圍巖內(nèi)部，起支撐作用。

1.3 錨索網(wǎng)支護技術(shù)優(yōu)點

與錨索網(wǎng)技術(shù)相比，首先，錨桿加固技術(shù)成本較大，在淺部煤層開采過程中，使用錨桿加固圍巖的利用率較低，造成加固效能的浪費；其次，錨索網(wǎng)支護技術(shù)可以有效改善因錨桿菱形加固區(qū)外的圍巖破壞變形導(dǎo)致的巷道失穩(wěn)，通過巷道內(nèi)兩層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的作用，即使巷道圍巖在上覆巖層水土壓力或采動壓力作用下發(fā)生破壞變形，巷道內(nèi)兩層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)仍能防止巷道臨空面的圍巖變形脫落，避免形成應(yīng)力集中。當(dāng)巷道圍巖在上覆巖層水土壓力或采動壓力作用下發(fā)生破壞變形時，破碎后的巖塊受重力或采動壓力作用在巷道內(nèi)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上，第一層混凝土結(jié)構(gòu)受到巷道圍巖壓力作用，破斷變形后約束圍巖內(nèi)的巖塊從頂板或幫部脫落，通過第一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的塑性變形緩沖巷道圍巖的水土壓力，第二層鋼筋混凝土的支護作用力施加在第一層鋼筋混凝土上，約束第一層鋼筋混凝土的破斷變形，起支撐作用。這種允許圍巖存在一定變形的讓壓支護方式在淺部軟弱破碎圍巖中應(yīng)用較為廣泛，深部煤層開采過程中，巷道掘進后的圍巖變形較大，超出了兩層鋼筋混凝土能夠承擔(dān)的變形范圍，應(yīng)用意義不大。

2 錨索網(wǎng)支護機理

錨索網(wǎng)支護技術(shù)在淺部煤層開采應(yīng)用中，通過向圍巖中植入錨桿，形成以錨桿為對角線的菱形加固區(qū)，通過選擇合適的錨桿間距，使相鄰的菱形加固區(qū)相互重合形成連續(xù)完整的菱形加固帶，從而提高巷道圍巖的剛度和強度，增強巷道圍巖的能力。淺部煤層開采過程中，巷道埋深較淺，上覆巖層水土壓力較小，可以根據(jù)現(xiàn)場情況適當(dāng)增大錨桿間距，提高支護效能利用率。對于軟弱破碎的淺部圍巖，巷道圍巖內(nèi)的塑性區(qū)半徑相對較大，巷道臨空面處圍巖容易破碎變形，在自然條件下從頂板或煤壁脫落，破壞巷道頂板的完整性，在巖塊掉落處形成應(yīng)力集中。錨桿菱形加固區(qū)對巷道圍巖的加固作用在遠離錨桿軸線的方向上逐漸減小，在錨桿的菱形加固區(qū)邊緣植入錨索，在空間上錨索的植入點為相鄰4 根錨桿形成的四邊形的中間位置，在充分提高錨桿加固效果的同時，避免材料的浪費。錨索網(wǎng)支護技術(shù)采用在巷道內(nèi)施作兩層鋼筋混凝土，約束巷道內(nèi)臨空面破碎的巖塊，防止巖塊掉落后破壞巷道圍巖的整體性。

如圖2 所示，在巷道內(nèi)向圍巖內(nèi)植入錨桿ab 后，形成以ab 為對角線的菱形加固區(qū)，通過設(shè)置合理的錨桿間距，使菱形加固區(qū)部分重疊，形成連續(xù)的加固帶AB。在相鄰的4 根錨桿形成的四邊形的中心位置植入錨索cd，維持錨桿加固區(qū)加固強度的一致性。在巷道臨空面施作兩層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，第一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)CD 用來約束巷道臨空面破碎的巖塊，避免頂板破碎巖塊掉落后在頂板形成應(yīng)力集中，第二層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)EF 剛度和厚度比第一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大，用以承載巷道圍巖和第一層鋼筋混凝土的破壞變形。

圖2 錨索網(wǎng)支護圖

3 錨索網(wǎng)支護技術(shù)設(shè)計

式中：a 為錨桿間排距，m；G 為錨固力，kN/根；k 為安全系數(shù)；γ 為巖體容重。

在式（1）中，N 為安全系數(shù)，取值為 1.1～1.25，在淺部煤層開采巷道支護過程中，N 取最大值1.25。錨索植入位置為相鄰的4 根錨桿形成的四邊形的中心位置，在應(yīng)用錨桿錨索支護巷道圍巖時，可以設(shè)置錨桿錨索的間排距相同，在淺部煤層開采巷道支護過程中，巷道埋深較淺，上覆巖層水土壓力較小，巷道圍巖承受的水土壓力相對較小，當(dāng)淺埋巷道圍巖為軟弱易破碎的砂巖或泥巖時，圍巖的容重較小，根據(jù)式（3）可以適當(dāng)降低錨桿的初錨力，增大錨桿錨索的間排距。

在淺部煤層開采過程中，當(dāng)巷道圍巖為軟弱易破碎的砂巖或泥巖時，巷道支護措施的關(guān)鍵是如何維持巷道圍巖整體性，避免錨桿菱形加固區(qū)外的圍巖破壞變形，確保巷道圍巖充分發(fā)揮自穩(wěn)性能。在巷道內(nèi)噴射兩層鋼筋混凝土，第一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用來防止錨桿菱形加固區(qū)外采煤巷道方向煤巖體的破碎脫落而破壞巷道圍巖的完整性；第二層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載巷道圍巖和第一層鋼筋混凝土的破壞變形，起支撐作用[1-3]。

淺埋煤層上覆巖層水土壓力較小，可以適當(dāng)加大錨桿錨索間排距，避免支護效能的浪費，根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整錨索網(wǎng)支護技術(shù)的支護參數(shù)。其中，錨桿錨索長度的經(jīng)驗計算公式為：

式中：L 為錨桿長度，m；N 為安全系數(shù)；W 為巷道跨度，m；H 為錨索長度，m；H1、H2為穩(wěn)定、不穩(wěn)定巖層中錨索長度，m；H3為錨具厚度，m；H4為外露張拉長度。

錨桿的間排距計算公式：

4 錨索網(wǎng)支護技術(shù)應(yīng)用

利用錨索網(wǎng)支護技術(shù)對某礦+1 200 m 掘進巷道頂板進行支護，+1 200 m 掘進巷道頂板為軟弱易破碎的泥巖或砂巖，巷道尺寸10.8 m×7.2 m，根據(jù)淺部復(fù)雜煤層上覆圍巖水土壓力小、圍巖軟弱易破碎的特點，在巷道頂板的支護過程中，設(shè)計錨桿選用螺紋鋼樹脂錨桿，直徑16 mm，長度3 000 mm，錨桿預(yù)緊力不低于120 kN，錨索選用直徑15.3 mm 鋼絞線，長度12.8 m，錨桿錨索間排距900 mm、900 mm，錨索布置在相鄰4 根錨桿組成的四邊形的中心位置。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中：鋼筋網(wǎng)片采用6.5 mm 圓鋼加工成4 000 mm×900 mm 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)孔尺寸150 mm×150 mm，沿采煤巷道掘進方向搭接布置，搭接長度不小于100 mm，第一層鋼筋混凝土設(shè)計厚度35 mm，第二層鋼筋混凝土設(shè)計厚度60 mm。

采用錨索網(wǎng)技術(shù)對+1 200 m 掘進巷道頂板進行支護前后，對巷道頂板位移量進行檢測，如圖3 所示。圖中線條A 表示使用錨索網(wǎng)支護技術(shù)前頂板位移量，線條B 表示錨索網(wǎng)使用錨索網(wǎng)支護技術(shù)后頂板位移量。使用錨索網(wǎng)支護技術(shù)前在距掘進頭10 m 范圍內(nèi)，巷道頂板位移量快速增長至40 mm，在距離巷道掘進頭10 m 范圍外，巷道頂板位移量緩慢增長直至趨近于54 mm；使用錨索網(wǎng)支護技術(shù)前在距掘進頭10 m 范圍內(nèi)，巷道頂板位移量快速增長至18 mm，在距離巷道掘進頭10 m 范圍外，巷道頂板位移量緩慢增長直至趨近于24 mm。

圖3 頂板位移量監(jiān)測值

經(jīng)現(xiàn)場實踐表明，在淺部復(fù)雜巖層中掘進時，采用錨索網(wǎng)支護技術(shù)對+1 200 m 掘進巷道圍巖頂板進行支護后，巷道頂板位移量的變化率明顯減小，巷道頂板位移量得到很好的控制，錨索網(wǎng)支護技術(shù)在淺部復(fù)雜地層巷道支護中具有一定實用價值。

5 結(jié)語

在淺部軟弱易破碎地層中掘進時，維持巷道圍巖的完整穩(wěn)定性，防止形成應(yīng)力集中對淺部復(fù)雜地層巷道的支護具有重要意義。通過利用錨索網(wǎng)支護技術(shù)對某礦+1 200 m 掘進巷道頂板進行支護應(yīng)用，結(jié)果表明，在淺部復(fù)雜地層中掘進時，錨索網(wǎng)支護技術(shù)能極大提高巷道安全穩(wěn)定性。