于 輝 孔令根 牛智勇 張清清 郝才成

（中國礦業(yè)大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083）

錨桿錨索聯(lián)合支護技術在碎裂厚煤層巷道中的應用＊

于 輝 孔令根 牛智勇 張清清 郝才成

（中國礦業(yè)大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083）

針對中煤平朔井工二礦碎裂厚煤層工作面運輸巷道片幫嚴重，且存在冒頂危險，提出了錨桿錨索聯(lián)合支護技術。根據(jù)該礦的實際地質條件確定了相應的支護方案。運用FLAC3D數(shù)值軟件對該方案進行了模擬分析，認為該方案可以有效增加巷道圍壓，減小巷道位移變形?，F(xiàn)場應用顯示，該支護方案可行，控制效果良好。

碎裂厚煤層 松軟巷道 巷道支護 支護方案 FLAC3D數(shù)值模擬 現(xiàn)場觀測

中煤平朔井工二礦擬開采B911工作面，由于煤層埋深大，使得工作面運輸巷道處于復雜的地質環(huán)境和強大的地應力作用之下，加上頂板巖層完整性差、裂隙發(fā)育，兩幫煤層松軟易膨脹，由于支護方案選擇不合理，工作面回采過程中巷道礦山壓力顯現(xiàn)劇烈，出現(xiàn)頂板破碎形成網(wǎng)兜、頂板和兩幫變形量大、部分錨桿脫帽等現(xiàn)象，嚴重影響了工作面的正常、安全生產(chǎn)。雖經(jīng)多次返修維護，但仍然難以保持穩(wěn)定。

為了保證巷道圍巖的穩(wěn)定，決定對該巷道改變支護方式，采用錨桿錨索聯(lián)合支護。通過數(shù)值模擬運算，并結合現(xiàn)場試驗證明，錨桿錨索聯(lián)合支護形式可以有效地改善圍巖應力狀態(tài)，減小巷道變形，具有良好的支護效果。

1 工程概況

B911工作面現(xiàn)開采9＃煤層，煤層以半亮型煤為主，塊及粉狀，結構復雜，含2～7層夾矸，巖性多以泥質巖為主，局部含有粉砂巖薄面。煤層埋深765 m，傾角2°～6°，平均4°，屬于近水平煤層；煤層厚0～13.76 m，平均10.09 m，屬特厚煤層；煤質酥軟，硬度系數(shù)1～2。直接頂以中粗砂巖為主，有時為細砂巖，局部含有灰黑色泥巖；直接底以砂質泥巖為主，灰～灰黑色，含植物葉片及根部化石，有時含灰色礫巖。

B911工作面運輸巷在掘進成巷過程中穿越4條斷層，在斷層附近涌水嚴重，具有冒頂?shù)臐撛谖ｋU。由于煤體強度較低及受水平應力的強烈影響，運輸巷道局部區(qū)域出現(xiàn)了嚴重的支護構件失效情況。根據(jù)現(xiàn)場調研及理論分析，提出采用錨桿錨索聯(lián)合控制支護技術，對破碎松軟圍巖進行控制。

2 錨桿錨索聯(lián)合支護方案

2.1 錨桿錨索聯(lián)合支護原理

巷道開挖后，頂板周邊的垂直支承應力減小，頂板一定范圍內(nèi)的巖層水平壓應力增高，在頂板巖層中形成垂直約束小、單向水平擠壓應力作用的拱形區(qū)。當巷道支護參數(shù) （錨桿長度、間排距）選擇合適，對于矩形煤巷，其圍巖體錨固系統(tǒng)的初期結構形式是擠壓加固梁或稱承載梁，形成錨固平衡拱，增強錨固范圍內(nèi)巖體的強度和承載能力，從而保持圍巖自身穩(wěn)定。所以錨桿支護的最大作用是成拱作用，而錨桿的約束和抗剪作用則是錨桿發(fā)揮成拱作用的必要條件。所以，錨桿的成拱作用大小與錨桿支護形式和參數(shù)有關。

錨索與單體錨桿的作用功能是一樣的，既有加固圍巖的作用，也有懸吊下部松動巖石的作用。兩者的區(qū)別在于錨索可以錨固在圍巖深部的穩(wěn)定巖層中，而錨桿因其長度較短，在圍巖條件較差的情況下，錨桿不能錨固在穩(wěn)定的巖石中，此時錨桿的懸吊作用很小，主要靠其加固作用和錨桿群的成拱作用控制圍巖變形，提高圍巖的承載能力。

2.2 聯(lián)合支護參數(shù)

根據(jù)工作面地質狀況及錨桿錨索聯(lián)合支護原理，形成了如圖1所示的B911工作面運輸巷道錨桿錨索聯(lián)合支護方案。巷道沿煤層底板掘進，斷面一次成型，矩形斷面，斷面寬5.0 m，高3.5 m。

（1）頂板支護。頂板采用錨桿、錨索聯(lián)合支護方式。錨索為?17.8 mm，1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線錨索，雙排布置，錨索長7.3 m，孔深7.0 m，間距1.8 m，排距2.0 m，錨索預緊力不低于120k N。每根錨索距巷幫1.6m，垂直頂板布置，每根錨索采用一支K2335和兩支Z2360樹脂藥卷進行錨固。錨桿采用?22 mm×2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼高強度錨桿，間距900 mm，排距1000 mm，每排布置6根，其中煤幫側錨桿距煤幫250 mm，與鉛垂面成15°角，其余均垂直頂板布置。每根錨桿使用一支K2335和一支Z2360樹脂藥卷進行錨固。錨固力不低于64 k N，扭矩不低于120 N·m。

（2）兩幫支護。靠區(qū)段煤柱側幫采用?18 mm×1700 mm左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿護幫；靠工作面?zhèn)让簬筒捎?18 mm×1700 mm玻璃鋼錨桿護幫。每排布置3根錨桿，間距1200 mm，排距1000 mm。最上位錨桿距頂板300 mm，且與水平面成＋15°角；其余錨桿水平布置。每根錨桿采用一支Z2335樹脂藥卷錨固，錨桿錨固力應不低于30 k N，扭矩應不低于90 N·m。

圖1 B911工作面運輸巷錨桿錨索聯(lián)合支護方案

3 支護方案數(shù)值模擬分析

3.1 計算模型的建立

為了預測采用錨桿錨索支護技術后巷道的支護效果，采用FLAC數(shù)值模擬軟件對巷道穩(wěn)定性進行分析。

針對該礦的地質采礦條件，根據(jù)采礦工程問題特點，建立相應的數(shù)值分析模型，考慮邊界效應的影響，模型尺寸為50 m×30 m×46 m，由于要分析巷道四周圍巖的應力狀況與移進量，所以巷道周圍的網(wǎng)格劃分較密，共劃分為31200個單元和34440個節(jié)點。

力學模型采用莫爾-庫侖 （Mohr-Coulomb）彈塑性材料模型，各巖層所取力學參數(shù)見表1。采用位移邊界條件，模型的側邊界限制水平移動，模型下邊界固定，上邊界自由。

表1 模型巖層力學參數(shù)

圖2 支護巷道圍巖應力圖

3.2 數(shù)值模擬結果及分析

3.2.1 巷道圍巖應力分析

施加支護體系后巷道圍巖應力如圖2所示，從圖2中可以看出，由于巷道的開挖破壞了相應巖層的原巖應力，圍巖應力重新分布，部分應力升高，部分應力降低。垂直應力在巷道的兩幫形成應力集中，這主要是由于錨桿的錨固作用。巷道頂板不存在應力為零的區(qū)域，這是由于施加錨桿支護后，錨桿對頂板巖層施加預緊力，阻止頂板向下運動。在巷道頂板和底板的中部垂直應力降低，由于頂板的變形下沉，上覆巖層載荷向巷道頂板兩側和兩幫煤體轉移，因此引起該區(qū)域的應力上升。水平應力也在錨桿和錨索四周形成應力集中，這有利于對圍巖施加壓力，從而保持巷道穩(wěn)定。

圖3 支護巷道圍巖位移云圖

3.2.2 巷道圍巖位移分析

巷道圍巖位移云圖見圖3，通過對巷道水平位移進行分析得出，巷道兩幫水平位移量最大，但位移值并不大，這說明由于受到錨桿的擠壓錨固作用，兩幫由兩向應力變?yōu)槿驊顟B(tài)，改善了應力狀態(tài)，提高了圍巖強度，從而使巷道圍巖保持穩(wěn)定。

當采用錨桿錨索對頂板進行支護后，不僅可以降低錨桿周圍巖體的下沉量，還可以控制頂板整體下沉量，錨桿與錨索對下位巖層除懸吊作用外，還可與相鄰錨桿作用相互疊加，形成拱形支護結構。錨索可以充分調動巷道深部圍巖強度，從而達到對巷道淺部圍巖的支護效果。分析認為該方案能夠有效地控制碎裂厚煤層煤巷的圍巖穩(wěn)定。

4 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在現(xiàn)場方案施工完成后，立即安裝測站，采用十字布點法對巷道表面位移進行觀測。通過對數(shù)據(jù)分析和處理，得到頂板和兩幫圍巖變形規(guī)律如圖4所示。

圖4 巷道表面位移變化規(guī)律

經(jīng)過為期兩個月的礦壓觀測，頂?shù)装遄畲笠平啃∮?6 mm，兩幫最大移近量小于36 mm，與數(shù)值模擬分析相近。在巷道開掘后35 d內(nèi)，圍巖變形速率較大，之后變形速率減小，圍巖趨于穩(wěn)定。這說明錨桿錨索聯(lián)合支護技術能夠有效控制巷道圍巖，圍巖變形量不大，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結語

（1）根據(jù)工作面地質狀況及錨桿錨索聯(lián)合支護原理，確定了相關的支護參數(shù)，形成了錨桿錨索聯(lián)合支護方案。

（2）通過數(shù)值模擬軟件對該方案巷道圍巖控制效果進行了數(shù)值分析。分析得出實施錨桿錨索支護技術后，圍巖支護狀態(tài)從開放環(huán)境到封閉力學環(huán)境，應力狀態(tài)得到改善，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平啃?，巷道圍巖控制效果良好。

（3）通過現(xiàn)場試驗，該碎裂厚煤層巷道圍巖控制效果明顯，圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，可為類似條件下的厚煤層煤巷控制提供一定的借鑒。

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Combined support technology with bolt and anchor cable in thick broken coal seam

Yu Hui，Kong Linggen，Niu Zhiyong，Zhang Qingqing，Hao Caicheng
（School of Resource and Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China）

In view of the caving danger of the haulage roadway with thick and broken coal roof in No.2 Mine of Pingshuo Group，the combined support technology with bolt and anchor cable was proposed.According to the geological conditions of the mine，the appropriate support program was determined.The simulation analysis by FLAC3Dsoftware showed that the program could effectively increase the roadway confining pressure，reduce roadway displacement and deformation，and thus keep the stability of the surrounding rock.Site practice showed that the support program was feasible and the control effect was good.

fractured thick coal seam，soft roadway，roadway support，support program，F(xiàn)LAC3Dnumerical simulation，field observation

TD353.8

A

中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助項目（2011YZ02）

于輝 （1986-），男，山東濰坊人。中國礦業(yè)大學 （北京）在讀博士研究生，主要從事巷道圍巖控制研究工作。

（責任編輯 張毅玲）