劉家鵬，王威欽，徐景果，胡烈飛

(1.陜西彬長(zhǎng)大佛寺礦業(yè)有限公司， 陜西 咸陽 712000；2.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院，陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710055)

0 引言

近距離煤層由于井田內(nèi)相鄰2層煤的層間距很近，開采時(shí)相互間具有顯著影響[1]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于近距離煤層開采的常用方法為先開采上層煤，待頂板垮落穩(wěn)定后再回采下層煤。有些采用聯(lián)合布置的方法[2]，該方法上下煤層工作面保持合理的錯(cuò)距同采，在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)施協(xié)調(diào)開采工作的難度較大，對(duì)下層煤的回采影響也較大。上位煤層回采破壞了巖層應(yīng)力平衡狀態(tài)，頂?shù)装鍘r石發(fā)生塑性變形，巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新分布，采空區(qū)應(yīng)力降低，區(qū)段煤柱上產(chǎn)生應(yīng)力集中。上層煤采動(dòng)必然影響下位煤層圍巖應(yīng)力狀態(tài)，將會(huì)引起巷道變形破壞嚴(yán)重，給巷道維護(hù)造成很大困難，影響巷道掘進(jìn)速度和穩(wěn)定時(shí)間。因此，上位煤層采動(dòng)后，下位煤層工作面的巷道布置和穩(wěn)定控制是近距離煤層群開采過程中的一個(gè)難題。

針對(duì)這一難題，相關(guān)研究從以下方面進(jìn)行解決：工作面合理區(qū)段煤柱留設(shè)及應(yīng)力分布和破壞特征[3-4]。上煤層采空區(qū)覆巖移動(dòng)和破壞規(guī)律[5]；近距離煤層開采下部煤層回采巷道布置[6]；受上煤層采空區(qū)、遺留煤柱和本煤層工作面回采動(dòng)壓影響下巷道的破壞特征及支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性。針對(duì)巷道破壞特征和支護(hù)，相關(guān)研究[7]采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法對(duì)受上煤層采空區(qū)遺留煤柱、本煤層鄰近工作面動(dòng)壓的下層煤回采巷道出現(xiàn)的冒頂和底鼓等現(xiàn)象進(jìn)行了研究，探討了巷道失穩(wěn)機(jī)制，提出了加強(qiáng)下位回采巷道穩(wěn)定性的技術(shù)措施；相關(guān)研究[8]采用理論分析與數(shù)值模擬等手段對(duì)具體煤礦近上位煤層開采后造成的底板破壞深度、殘留煤柱在底板的應(yīng)力分布以及巷道在非均布載荷下易于破壞的原因進(jìn)行研究。結(jié)果表明：煤層開采引起的側(cè)向支承壓力對(duì)底板造成的最大破壞深度波及到下位煤層巷道所在水平；在煤柱兩側(cè)邊緣出現(xiàn)一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)，煤柱正下方出現(xiàn)一定范圍的應(yīng)力增高區(qū)，煤柱底板的應(yīng)力分布具有明顯的非均勻性；下位煤層巷道在非均布荷載作用下，更易出現(xiàn)局部拉應(yīng)力過大，從而造成巷道變形破壞。相關(guān)研究[9]通過對(duì)房柱采空區(qū)下近距離兩煤層頂板砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出了非連續(xù)均載作用下的砌體結(jié)構(gòu)承載運(yùn)動(dòng)特征普適模型、房柱采空區(qū)下兩煤層“老頂-多煤柱-直接頂-支架”組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受力運(yùn)動(dòng)特征典型模型等。

總結(jié)國(guó)內(nèi)關(guān)于極近距離煤層回采巷道布置的研究，一般認(rèn)為：將下部煤層回采巷道布置在上部殘留煤柱形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，避開煤柱壓力集中區(qū)是合適的，易于維護(hù)。然而，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，即使巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，下部煤層回采時(shí)巷道的變形和破壞仍然很嚴(yán)重，維護(hù)十分困難。

由以上分析可知，針對(duì)近距離煤層群上層煤回采對(duì)下層煤的的影響以及下層煤工作面順槽錨固支護(hù)構(gòu)建的受力特征研究主要采用理論分析及數(shù)值模擬等研究方法，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法較少，同時(shí)，相關(guān)的錨固支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力規(guī)律并不明確，有待進(jìn)一步研究。陜煤大佛寺煤礦主采4號(hào)煤層，401、402采區(qū)南翼4煤和其上方對(duì)應(yīng)的411、412采區(qū)4上煤賦存條件特殊，屬中厚煤層與特厚煤層的近距離上下組合煤層組，2個(gè)煤層均為高瓦斯、自燃煤層。為保證礦井正常產(chǎn)量，大佛寺煤礦開采設(shè)計(jì)為411采區(qū)與401采區(qū)重疊布置，其中4上煤采用綜采，4煤采用綜放。因此，上、下煤層開采中所涉及的圍巖破壞和巷道穩(wěn)定問題較多。本文針對(duì)大佛寺煤礦上位41201工作面采空區(qū)下的40111工作面在回采中巷道的穩(wěn)定性及巷道錨固支護(hù)的有效性，考慮上層煤采動(dòng)后底板破壞深度及殘留煤柱形成的應(yīng)力集中對(duì)下層煤巷道位置的影響，在合理選擇了工作面布置、巷道位置和煤柱寬度的基礎(chǔ)上，對(duì)近距離煤層綜放回采巷道穩(wěn)定性及錨固支護(hù)的承載力規(guī)律進(jìn)行研究，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工程概況及工作面布置

1.1 工程概況

40111工作面位于401采區(qū)西翼，最低埋深538.1 m，屬于深部開采。40111工作面垂直401采區(qū)南北大巷布置，工作面走向長(zhǎng)1 856 m，傾向長(zhǎng)度220 m，可采長(zhǎng)度1 726 m，面積409 200 m2。采用“一面三巷”布置，由南向北分別為運(yùn)順、高抽巷、回順，工作面順槽垂直4煤2#輔運(yùn)大巷布置。井下相對(duì)位置如圖1所示。工作面采用后退式走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。

圖1 40111工作面運(yùn)順位置平面圖

1.2 工作面布置

40111工作面采用4煤、4上煤聯(lián)合布置，工作面開采東部為4煤大巷保護(hù)煤柱，西部4上煤為41201工作面采空區(qū)，4煤為未采區(qū)。工作面北側(cè)為40109工作面采空區(qū)，隔水煤柱留設(shè)寬度48 m，南側(cè)為西部大巷保護(hù)煤柱，上覆為41106工作面采空區(qū)，煤層隔厚在8 m～30 m之間，整體呈工作面西薄東厚分布。40111工作面4煤與4上煤柱狀圖如圖2所示。回順(上巷)內(nèi)錯(cuò)13 m，運(yùn)順(下巷)外擴(kuò)42.5 m。

圖2 40111工作面4煤與4上煤柱狀圖

根據(jù)采空區(qū)底板圍巖應(yīng)力分布規(guī)律結(jié)合401采區(qū)西翼40109工作面巷道布置經(jīng)驗(yàn)，40111回順與41106回順內(nèi)錯(cuò)13 m布置在41106采空區(qū)下方，里段1 030 m距40109回順煤柱48.5 m，外段740 m距40109泄水巷煤柱為30 m。40111運(yùn)順與41106運(yùn)順外鎖42 m布置在實(shí)煤體內(nèi)，40111切眼內(nèi)錯(cuò)41106切眼2 m布置在41106采空區(qū)下方。距4煤2#輔運(yùn)大巷67m平行布置設(shè)備列車硐室與運(yùn)、回順連通，作為回順掘進(jìn)期間的運(yùn)煤通道。40111回順相對(duì)位置如圖3所示。

圖3 40111工作面位置剖面圖

運(yùn)順設(shè)計(jì)寬度5.4 m，寬度3.5 m，毛斷面18.9 m2。

2 錨固支護(hù)承載力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

錨桿(索)荷載監(jiān)測(cè)是測(cè)試巷道支護(hù)后錨索實(shí)際受力狀態(tài)的一種原位測(cè)試方法，主要反映錨桿(索)、鎖具和托板等構(gòu)件對(duì)圍巖的實(shí)際支護(hù)阻力，是錨桿(索)支護(hù)軟巖巷道監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。錨桿(索)荷載觀測(cè)的目的是為了分析錨桿(索)支護(hù)巷道在服務(wù)期間錨桿(索)的實(shí)際承受荷載變化情況，監(jiān)測(cè)錨桿(索)工作狀態(tài)，分析錨桿索協(xié)同關(guān)系，為優(yōu)化錨固支護(hù)參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

根據(jù)大佛寺煤礦4煤賦存條件，監(jiān)測(cè)上層煤煤柱下方巷道受工作面采動(dòng)影響后的巷道圍巖活動(dòng)規(guī)律、支護(hù)體實(shí)際承受載荷及其變化。在40111工作面運(yùn)輸順槽布置測(cè)站，對(duì)巷道錨固支護(hù)的實(shí)際承載狀況進(jìn)行系統(tǒng)跟蹤監(jiān)測(cè)。在總結(jié)分析測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析支護(hù)體實(shí)際承受載荷與煤巷圍巖內(nèi)部變形關(guān)系，揭示補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)對(duì)控制圍巖變形的作用；總結(jié)在40111工作面回采過程中的順槽圍巖活動(dòng)規(guī)律，為4煤的巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)資料，并為后期全礦其他受相鄰工作面回采影響巷道錨固支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)提供借鑒，保證本工作面的安全高效回采。

2.1 測(cè)站布設(shè)

測(cè)站設(shè)計(jì)在40111工作面運(yùn)輸順槽中，位置距離巷道開口1 300 m處。具體位置如圖4所示。

圖4 40111工作面運(yùn)順測(cè)點(diǎn)位置圖

2.2 測(cè)試內(nèi)容

2.2.1 錨桿荷載監(jiān)測(cè)

錨桿荷載采用錨桿測(cè)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別監(jiān)測(cè)錨桿在支護(hù)作用過程中產(chǎn)生的托錨力的變化過程。

1) 測(cè)量原理。錨桿測(cè)力計(jì)是測(cè)定錨桿受力變化的儀器，通過測(cè)量液壓枕油壓確定錨桿尾部承受的載荷。通過對(duì)錨桿的監(jiān)測(cè)，以便對(duì)錨桿支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，從而達(dá)到對(duì)巷道圍巖應(yīng)力的監(jiān)控。將液壓枕置于錨桿托板下方，錨桿受力擠壓托板，托板將壓力傳遞到液壓枕上，引起液壓枕內(nèi)油壓增加，壓力表讀出壓力值。經(jīng)過簡(jiǎn)單換算，從而計(jì)算出錨桿尾部承受的拉力。

2) 錨桿測(cè)力計(jì)布置。測(cè)力計(jì)在其安裝過程中需清晰準(zhǔn)確編號(hào)。在巷道原錨桿支護(hù)中間布置12根測(cè)力錨桿，并且自煤柱側(cè)幫部下端至工作面幫部下端依次編號(hào)，分別為1～12號(hào)。具體布置參數(shù)：頂板布置6根錨桿，間距為700 mm；煤柱側(cè)幫部布置4根錨桿，間距為800 mm；工作面?zhèn)葞筒坑捎趲捷斔蜋C(jī)和管路設(shè)置，布置2根錨桿，間距為900 mm。頂部錨桿每根使用1支msk23/35型錨固劑和2支msz23/35型錨固劑，幫部測(cè)力錨桿每根使用1支msk23/35型錨固劑和1支msz23/35型錨固劑，測(cè)力錨桿的螺母預(yù)應(yīng)力矩為200 N·m。錨桿測(cè)力計(jì)的具體布置如圖5所示。

3) 儀器安裝。測(cè)力錨桿安裝前必須在井下安裝點(diǎn)附近測(cè)定初始值，讀數(shù)時(shí)保證測(cè)力錨桿平置，不受外力作用。錨桿托錨力直接通過錨桿測(cè)力計(jì)測(cè)出。采用山東尤洛卡公司生產(chǎn)的錨桿測(cè)力計(jì)，如圖6所示。其具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，安裝和使用簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、直觀等特點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)錨桿(索)軸向力方面性能優(yōu)越。

安裝測(cè)力錨桿前，預(yù)先將錨桿測(cè)力計(jì)及其夾板套在測(cè)力錨桿上，并將測(cè)力計(jì)夾在兩塊夾板中間，然后安裝測(cè)力錨桿[10]。

4) 測(cè)量方法。托錨力測(cè)量方法為直接記錄測(cè)力計(jì)的數(shù)據(jù)。對(duì)錨桿施加預(yù)應(yīng)力后，記錄測(cè)力計(jì)的壓力值，即為測(cè)力錨桿外端的初始托錨力。

安裝前必須測(cè)量初始值，安裝結(jié)束后馬上進(jìn)行第一次讀數(shù)。根據(jù)前后兩次讀數(shù)的差異程度決定觀測(cè)頻率，若前后兩次讀數(shù)的差別較大，則應(yīng)減小相鄰兩次觀測(cè)的時(shí)間間隔，否則應(yīng)加大相鄰兩次觀測(cè)的時(shí)間間隔，直到數(shù)據(jù)趨向穩(wěn)定。

2.2.2 錨索荷載監(jiān)測(cè)

1) 錨索荷載監(jiān)測(cè)斷面布置參數(shù)。在錨桿斷面前后布置一個(gè)錨索荷載監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)斷面如圖7所示。A斷面共布置8根錨索。其中，煤柱側(cè)幫部布置3根，間距為0.9 m；頂板布置2根，距兩幫的距離分別為0.2 m；工作面?zhèn)葞筒坑捎趲捷斔蜋C(jī)和管路影響，布置3根，間距為0.9 m。B斷面共布置9根錨索。其中，煤柱側(cè)幫部布置3根，間距為0.9 m；頂板布置4根，間距為1.4 m；工作面?zhèn)葞筒坎贾?根，間距為0.9 m。

頂板錨索規(guī)格為Φ 21.8×7 100 mm，每根錨索使用1支msk23/35型錨固劑和3支msz23/35型錨固劑，幫部錨索為Φ 21.8×3 500 mm，每根錨索使用1支msk23/35型錨固劑和2支msz23/35型錨固劑。預(yù)應(yīng)力為200 kN。

2) 觀測(cè)儀器。錨索荷載采用錨索壓力表進(jìn)行無損監(jiān)測(cè)。采用圖6所示的錨索壓力表。

3) 儀器安裝。錨索測(cè)力計(jì)斷面緊臨測(cè)力錨桿監(jiān)測(cè)斷面。安裝錨索時(shí)，尾端緊貼巷道圍巖表面，由于錨索軸向力直接通過托盤作用于巷道圍巖表面，因此把錨索壓力表套在錨索墊板(托盤或托梁)和外錨固端的鎖具之間，測(cè)得錨索工作軸力。安裝時(shí)必須按照要求施加錨索預(yù)應(yīng)力。

4) 測(cè)量方法。與錨桿測(cè)力計(jì)相同。

3 破壞區(qū)錨固支護(hù)構(gòu)建承載力規(guī)律

3.1 錨桿的承載工況分析

圖8為測(cè)力錨桿托錨力變化圖。監(jiān)測(cè)過程中，除6號(hào)錨桿測(cè)力計(jì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)故障，未能采集到有效數(shù)據(jù)之外，其他編號(hào)錨桿均采集到有效數(shù)據(jù)。以下分部位對(duì)托錨力的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明。

3.1.1 頂板錨桿(5#～10#)荷載變化規(guī)律

頂板錨桿信息如表1所示。隨著工作面推進(jìn)，頂板錨桿工作過程中，各錨桿托錨力較為穩(wěn)定，安裝后受力總體趨于穩(wěn)步上升，在工作面推進(jìn)距測(cè)站250～200 m范圍內(nèi)，托錨力呈不同程度小幅度上升，說明該處的圍巖受采動(dòng)影響嚴(yán)重；在工作面距測(cè)站200 m開始，托錨力產(chǎn)生下降；在工作面推進(jìn)距測(cè)站50 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)小幅度波動(dòng)。同時(shí)，預(yù)應(yīng)力高的錨桿始終維持高支護(hù)阻力。5#和7#錨桿在安裝之初預(yù)應(yīng)力較高，安裝后托錨力都緩慢上升，經(jīng)分析可知，由于有較高的預(yù)應(yīng)力，錨桿安裝初期由于受到頂板圍巖較大變形的影響；隨著工作面的不斷推進(jìn)，5#在工作面距測(cè)站183 m處時(shí)，托錨力出現(xiàn)下降，在工作面距測(cè)站40 m左右時(shí)，產(chǎn)生波谷，分析認(rèn)為受超前應(yīng)力影響。7#錨桿與5#有類似的趨勢(shì)。由于5#錨桿處于應(yīng)力集中區(qū)，可以看出頂板靠近煤柱側(cè)幫部的區(qū)域?qū)儆趹?yīng)力集中區(qū)，受到較大的工作面采動(dòng)影響，圍巖內(nèi)部的變形較大，導(dǎo)致軸力較大。8#、10#錨桿托錨力穩(wěn)定且受力較小，說明此錨桿沒有起到對(duì)圍巖變形控制的作用，錨固效果較差。9#錨桿在安裝后托錨力緩慢持續(xù)增加，受超前應(yīng)力影響較小。8#、9#和10#錨桿的托錨力的監(jiān)測(cè)值變化較小，說明初期預(yù)應(yīng)力較低會(huì)導(dǎo)致錨桿對(duì)圍巖錨固作用較差，盡管后期隨著工作面推進(jìn)圍巖發(fā)生變形，錨桿依然難以產(chǎn)生較大作用。

圖8 錨桿托錨力變化圖

表1 頂板錨桿信息

由此可以看出，圍巖內(nèi)裂隙的發(fā)育會(huì)使錨桿受力增大，當(dāng)圍巖受壓，原有裂隙閉合，受力會(huì)減小。

3.1.2 煤柱側(cè)幫錨桿(1#～4#)荷載變化規(guī)律

煤柱側(cè)幫錨桿信息如表2所示。1#、2#和4#錨桿安裝后錨桿托錨力穩(wěn)定，變化較??；3#錨桿托錨力減小，變化較大。

隨著工作面的不斷推進(jìn)，1#錨桿軸力總體呈現(xiàn)不斷下降趨勢(shì)，錨桿安裝后受到錨固范圍內(nèi)圍巖體的剪脹變形作用，而隨著錨固范圍內(nèi)圍巖變形得到有效控制，受力趨于平穩(wěn)，由于采動(dòng)影響的不斷增加，受力緩慢增加。2#錨桿在安裝初期其受力快速下降，然后趨于穩(wěn)定，在工作面距離測(cè)站280 m開始，軸力開始快速上升。說明隨著工作面的推進(jìn)，該區(qū)域巖體受采動(dòng)影響強(qiáng)烈。3#錨桿安裝后托錨力急劇增加減小到0 kN左右，后趨于平穩(wěn)，說明錨桿在安裝后由于巷道淺表圍巖的剪脹變形，托錨力呈現(xiàn)快速增加現(xiàn)象，錨桿對(duì)圍巖內(nèi)部變形有了較好控制，使得圍巖不再產(chǎn)生新的變形。4#錨桿安裝后受力開始逐漸緩慢上升，主要是由于巷道圍巖受到較大應(yīng)力作用，巖體產(chǎn)生顯著剪脹變形；隨著工作面的不斷推進(jìn)，受力趨于穩(wěn)定。

表2 煤柱側(cè)幫錨桿信息

3.1.3 工作面?zhèn)葞湾^桿(11#和12#)荷載變化規(guī)律

11#錨桿位于幫部距頂板1.3 m處，初始托錨力為23.5 kN，12#錨桿位于幫部距底板1.3 m處，初始托錨力為27 kN，11#和12#錨桿的變化幅度較大，說明工作面?zhèn)葞椭苯邮懿蓜?dòng)應(yīng)力影響。

由圖8可知，隨著工作面的不斷推進(jìn)，11#錨桿托錨力在工作面距測(cè)站270 m處下降迅速，在距測(cè)站240 m左右快速上升，受工作面超前采動(dòng)影響，巷道圍巖變形導(dǎo)致托錨力快速增大；在距測(cè)站180 m范圍內(nèi)又快速下降，說明該處錨桿托錨力受工作面采動(dòng)影響嚴(yán)重，在距測(cè)站50 m左右開始穩(wěn)定。12#錨桿托錨力變化規(guī)律類似于11#錨桿，變化相對(duì)滯后。

由此表明，由于受到工作面回采引起的動(dòng)壓影響，超前支承壓力導(dǎo)致巷道幫部產(chǎn)生變形，由于幫部表面煤體較為破碎，圍巖承載強(qiáng)度不足，中部圍巖壓力增大，導(dǎo)致托錨力快速增大。由此說明，工作面的采動(dòng)影響導(dǎo)致巷道圍巖體內(nèi)部變形與錨桿受力兩指標(biāo)間的緊密相關(guān)性。

3.2 錨索的承載工況分析

測(cè)站錨索外端承載力變化如圖9所示。1#～9#錨索布置于A測(cè)站。錨索張拉結(jié)束后，頂板錨索5#、6#預(yù)應(yīng)力分別為116 kN和132 kN。位于煤柱側(cè)幫錨索1#、2#、3#錨索預(yù)應(yīng)力分別為78.3 kN、69.2 kN、172 kN，位于工作面?zhèn)?#、8#和9#錨索張拉結(jié)束后的張拉力分別為37.3 kN、49.4 kN、96.6 kN。其中1#、2#、3#、5#和8#錨索承載力變化規(guī)律相似，其值經(jīng)過初期較快變化后，開始趨于平穩(wěn)狀態(tài)。6#錨索承載力在張拉后產(chǎn)生較小下降，然后趨于平穩(wěn)，隨后在回采工作面距測(cè)站180 m時(shí)，產(chǎn)生小幅波動(dòng)，其承載力降低，工作面距測(cè)站25 m左右，承載力快速上升至142 kN；7#錨索承載力在張拉后產(chǎn)生較小下降，然后趨于平穩(wěn)，隨后工作面距測(cè)站180 m時(shí)，承載力增加，工作面距測(cè)站25 m左右，承載力快速下降至27.8 kN；9#錨索總體趨勢(shì)為緩慢下降，中間出現(xiàn)一部分較大波動(dòng)。預(yù)應(yīng)力高的錨索初始承載力高的錨索(3#、5#和6#)，在支護(hù)過程中工作狀態(tài)特征一直保持較高的工作阻力，說明預(yù)應(yīng)力對(duì)錨索的作用同錨桿相同，安裝初期較高的張拉力，可以提高錨索的工作阻力，充分發(fā)揮其主動(dòng)支護(hù)作用。

(a) A斷面示意圖

(b) B斷面示意圖

11#～19#錨索布置于B測(cè)站相對(duì)應(yīng)位置，作為測(cè)站A的對(duì)比。錨索張拉結(jié)束后，頂板錨索預(yù)應(yīng)力14#、15#、16#、17#分別為176 kN、144 kN、92.5 kN、147 kN；煤柱側(cè)幫錨索11#、12#、13#錨索分別為99.6 kN、121 kN、64.8 kN。其中，11#和17#錨索承載力變化規(guī)律相似，開始產(chǎn)生小幅度的承載力增加，然后趨于穩(wěn)定，12#、13#、14#、15#、16#錨索變化規(guī)律相似，開始產(chǎn)生小幅度的承載力減小，然后趨于穩(wěn)定。工作面?zhèn)葞?8#和19#錨索預(yù)應(yīng)力分別為5.8 kN和5.3 kN，后期變化較小，分析原因可能是由于初始預(yù)應(yīng)力不足，發(fā)揮作用較小。預(yù)應(yīng)力高的錨索(14#、15#和17#)，在支護(hù)過程中一直保持較高的工作阻力，由此說明，與錨桿作用類似，較高的預(yù)應(yīng)力可以提高錨索的工作阻力，充分發(fā)揮其主動(dòng)支護(hù)作用；頂部錨索的承載力普遍大于幫部，說明巷道頂部圍巖體變形嚴(yán)重，而錨索初期預(yù)應(yīng)力較大會(huì)使得錨索更好地發(fā)揮承載性能。

由測(cè)站A和B的錨索受力測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析可知，首先，錨索在初期張拉時(shí)由較高的張拉力，可以更好地發(fā)揮錨索的錨固作用，更好地控制巷道圍巖體內(nèi)部的變形，施加了較高預(yù)緊力的錨索很好地發(fā)揮了自身的承載作用，而低預(yù)緊力錨索未能發(fā)揮良好的錨固作用。其次，頂部錨索的承載力多數(shù)大于幫部錨索的承載力，說明巷道幫部圍巖體變形嚴(yán)重，幫部巷道巖體破碎導(dǎo)致錨索錨固力不足；頂部錨索由于鉆孔角度垂直、孔內(nèi)清潔度高以及鉆孔成型效果好，鉆孔內(nèi)部的煤泥容易被水沖出，使得錨索的錨固力增加，而錨索初期張拉力較大會(huì)使得錨索更好地發(fā)揮承載性能。最后，位于幫部偏下的錨索承載力普遍小于幫部偏上的錨索承載力，同時(shí)，幫部偏上錨索后期承載力大于幫部偏下錨索后期承載力。同樣，幫部偏上部位鉆孔內(nèi)煤泥容易清出，而幫部偏下部位煤泥難以清除，導(dǎo)致幫部偏上錨索初期張拉力大于幫部偏下錨索初期張拉力。綜合以上分析，錨索在工作面采動(dòng)時(shí)控制了巷道圍巖裂隙發(fā)育，維護(hù)了巷道穩(wěn)定。

3.3 承載力規(guī)律分析

1) 采動(dòng)應(yīng)力的影響。由上述分析可知，引起錨桿支護(hù)阻力增大的主要原因是該處采動(dòng)應(yīng)力影響下圍巖的碎脹變形，圍巖變形越大，錨桿的支護(hù)阻力也越大。采動(dòng)應(yīng)力對(duì)巷道淺部圍巖的影響較大主要是受巷道圍巖的變形量和變形特征的影響；其超前采動(dòng)影響范圍為250 m左右，超前采動(dòng)影響強(qiáng)烈影響范圍約為50 m。在上述實(shí)測(cè)規(guī)律指導(dǎo)下，為保證4煤巷道圍巖的穩(wěn)定性，建議其補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)須超前工作面位置250 m實(shí)施，并在超前工作面位置0～50 m范圍內(nèi)跟蹤觀測(cè)巷道頂幫圍巖變形趨勢(shì)。

2) 預(yù)應(yīng)力作用。由錨桿(索)荷載變化規(guī)律，錨桿(索)在初期張拉時(shí)由較高的預(yù)應(yīng)力，可以更好地發(fā)揮錨固作用，更好地控制巷道圍巖體內(nèi)部的變形，施加了較高預(yù)應(yīng)力的錨索，充分發(fā)揮了自身的承載作用，施加了高預(yù)應(yīng)力錨桿會(huì)在淺部破碎圍巖區(qū)域構(gòu)成“人工承壓拱”，優(yōu)化破碎巖體受力，抑制塑性區(qū)擴(kuò)展。而低預(yù)應(yīng)力錨桿(索)未能發(fā)揮良好的錨固作用。通過錨桿(索)實(shí)際荷載變化規(guī)律實(shí)測(cè)可知，錨桿(索)的初期預(yù)應(yīng)力及其傳遞效果直接決定了主動(dòng)支護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際承載工況，以及錨桿索承載過程中的增阻速率，即錨桿螺母預(yù)應(yīng)力矩或錨索預(yù)應(yīng)力越高，支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)阻力越大，錨桿索承載結(jié)構(gòu)剛度越高，并在較小的變形狀態(tài)下快速產(chǎn)生較高的支護(hù)阻力。

由測(cè)站錨桿(索)受力的測(cè)試結(jié)果可以看出，預(yù)應(yīng)力對(duì)錨桿(索)的作用類似，初始較高的預(yù)應(yīng)力對(duì)錨索發(fā)揮作用，控制圍巖變形有很大的幫助。其次，錨桿在初期施加較高的預(yù)應(yīng)力，可以更好地發(fā)揮錨桿的錨固作用，更好地控制巷道圍巖體內(nèi)部的變形，施加了較高預(yù)應(yīng)力的錨桿充分發(fā)揮了自身的承載作用，而低預(yù)應(yīng)力錨桿未能發(fā)揮良好的錨固作用。錨桿在工作面采動(dòng)時(shí)控制了巷道圍巖裂隙發(fā)育，減小了圍巖的位移量，維護(hù)了巷道穩(wěn)定。

3) 錨桿-錨索協(xié)同作用關(guān)系。錨桿、錨索均是在圍巖表面施加預(yù)應(yīng)力來控制巖體變形，一方面是提高圍巖峰后殘余強(qiáng)度，另一方面將巷道淺部破碎圍巖懸吊在深部完整性較好的巖體內(nèi)，充分發(fā)揮深部巖體承載性能。兩者的作用分別為：當(dāng)巷道圍巖破碎區(qū)域較大及塑性區(qū)范圍大時(shí)，長(zhǎng)度較短的錨桿不能錨固到完整性較好的巖體中，這時(shí)錨桿懸吊作用弱，通過錨桿的作用在破碎區(qū)建造人工承壓拱，相對(duì)錨索較為密集的錨桿托盤在圍巖表面形成約束構(gòu)件，限制煤巖的變形，此時(shí)預(yù)應(yīng)力錨桿會(huì)在淺部破碎圍巖區(qū)域構(gòu)成“人工承壓拱”；較長(zhǎng)的錨索可以生根于圍巖深部較完整和承載性較好的巖體中，用長(zhǎng)錨索固定人工承壓拱，優(yōu)化破碎巖體受力，抑制塑性區(qū)擴(kuò)展。

4 下煤層巷道支護(hù)優(yōu)化

40111工作面開采煤層4煤，平均厚度12.5 m，留底煤1 m，巷道上方煤厚8 m左右。4煤為層狀構(gòu)造，條帶狀結(jié)構(gòu)，貝殼狀或階梯狀斷口，硬度系數(shù)3.0左右。工作面錨桿(索)支護(hù)均在煤層內(nèi)，因此巷道圍巖屬于中等穩(wěn)定圍巖Ⅲ類巷道。根據(jù)礦井初步設(shè)計(jì)及巷道錨桿支護(hù)形式與主要支護(hù)參數(shù)選擇表，基于錨固支護(hù)的原理[11-13]，結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)采取錨桿+錨索+W鋼帶+網(wǎng)對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。因40111工作面布置在41106工作面采空區(qū)下方，可能由于礦壓作用，巷道會(huì)形成較大的破碎區(qū)，應(yīng)用長(zhǎng)錨索固定人工承壓拱并安裝中強(qiáng)外部支撐件。結(jié)合礦區(qū)聯(lián)合開采經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)順設(shè)計(jì)錨索間排距1 600×1 600 mm，每排布置3根。

基于以上設(shè)計(jì)，所采用的支護(hù)方式為:

1) 支護(hù)形式。頂板采用金屬螺紋鋼錨桿配以鋼帶、金屬網(wǎng)及錨索進(jìn)行支護(hù)，錨桿規(guī)格為Ф 20 mm×2 300 mm，矩形布置間排距700×800 mm，每根使用1支msk23/35型錨固劑和2支msz23/35型錨固劑；錨索采用Ф 18.9×7 100 mm鋼絞線，矩形布置，錨索間排距1 600×1 600 mm。每根錨索使用1支msk23/35型和3支msz23/35型樹脂錨固劑。

幫部采用Ф 18×2 000 mm錨桿配12#菱形網(wǎng)及金屬桁架支護(hù)，間排距800×800 mm，每根使用1支msk23/35型和1支msz23/35型樹脂錨固劑。

金屬網(wǎng)采用Ф 6 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)幅1 000×2 500 mm，網(wǎng)孔100×100 mm；菱形網(wǎng)網(wǎng)幅1 000×10 000 mm，網(wǎng)孔50×50 mm；運(yùn)、回順鋼帶規(guī)格BHW-280-3.0-5 100 mm；頂部錨索托盤為300×300×16 mm鋼托盤，每個(gè)托盤配一個(gè)調(diào)心球墊使用；幫部錨索托板為150×150×12 mm。

2) 錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。錨桿預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)的原則是控制圍巖不出現(xiàn)明顯離層、滑動(dòng)與拉應(yīng)力區(qū)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，以及國(guó)內(nèi)部分礦區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合我國(guó)煤巷巷道條件和施工機(jī)具，一般可選擇錨桿預(yù)應(yīng)力為屈服載荷的30%～50%[14]。錨桿預(yù)應(yīng)力與錨桿預(yù)應(yīng)力矩成正比。設(shè)計(jì)錨桿預(yù)應(yīng)力矩200 N·m。

因此，針對(duì)大佛寺4煤巷道進(jìn)行錨固支護(hù)設(shè)計(jì)，頂部錨索設(shè)計(jì)外露長(zhǎng)度為200±10 mm，預(yù)應(yīng)力為220 kN；幫部錨索設(shè)計(jì)外露長(zhǎng)度170±10 mm，預(yù)應(yīng)力不小于150 kN，錨固力不小于250 kN。錨桿外露長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為25±15 mm，錨桿的螺母預(yù)應(yīng)力矩須不小于200 N·m，錨固力不小于100 kN。

5 結(jié)論

1) 40111運(yùn)順在工作面回采過程中，其超前采動(dòng)影響范圍為250 m左右，超前采動(dòng)影響強(qiáng)烈影響范圍約為50 m。建議在超前工作面位置250 m時(shí)實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。

2) 工作面回采過程中，巷道幫部不同位置圍巖的變形存在較大差異。煤柱側(cè)幫部圍巖變形較大范圍顯著大于實(shí)體煤側(cè)。因此，在大佛寺礦4煤巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)或新支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮幫部圍巖應(yīng)力條件和圍巖變形區(qū)域分布特征的影響，采用差異化補(bǔ)強(qiáng)參數(shù)。

3) 引起錨桿受力增大的主要原因是該處圍巖的碎脹變形。巷道在工作面回采過程中，頂板以整體彎曲下沉特征為主，并且頂中和頂幫過渡位置強(qiáng)烈變形區(qū)域差異顯著。其中，頂中強(qiáng)烈離層下沉區(qū)域超過錨桿控制范圍，導(dǎo)致錨桿軸力普遍較小。因此，在設(shè)計(jì)頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)參數(shù)時(shí)，應(yīng)控制頂中深部圍巖的整體彎曲下沉，并同時(shí)考慮頂幫過渡位置圍巖變形特征。

4) 錨桿和錨索的預(yù)應(yīng)力及其傳遞效果直接決定了主動(dòng)支護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際承載能力和承載過程中的增阻速率。預(yù)應(yīng)力越高，支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)阻力越大，錨桿索承載結(jié)構(gòu)剛度越高。針對(duì)大佛寺4煤巷道錨固支護(hù)，設(shè)計(jì)錨索預(yù)應(yīng)力為200 kN，錨桿的預(yù)應(yīng)力矩為200 N·m。