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(jìn)而導(dǎo)致頂板冒落、幫部偏幫等生產(chǎn)事故，嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)和工作面開采時的安全性。傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)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(hù)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(hù)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(jìn)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(jìn)過程中巷道圍巖受到上覆水土壓力Pi和巷道內(nèi)支護(hù)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(hù)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(hù)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(jìn)受力簡圖

1.2 淺部煤層支護(hù)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(hù)過程中，錨桿錨索的支護(hù)間距應(yīng)適當(dāng)增大，避免錨索網(wǎng)支護(hù)效能的浪費；巷道掘進(jìn)后，因巷道掘進(jìn)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(jìn)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(hù)機理

錨索網(wǎng)支護(hù)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(hù)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(yuǎn)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(hù)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(hù)圖

3 錨索網(wǎng)支護(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)效能的浪費，根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整錨索網(wǎng)支護(hù)技術(shù)的支護(hù)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(hù)技術(shù)應(yīng)用

利用錨索網(wǎng)支護(hù)技術(shù)對某礦+1 200 m 掘進(jìn)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)，+1 200 m 掘進(jìn)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(hù)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(jìn)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(jìn)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)前后，對巷道頂板位移量進(jìn)行檢測，如圖3 所示。圖中線條A 表示使用錨索網(wǎng)支護(hù)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(hù)技術(shù)后頂板位移量。使用錨索網(wǎng)支護(hù)技術(shù)前在距掘進(jìn)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(jìn)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(hù)技術(shù)前在距掘進(jìn)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(jìn)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(jìn)時，采用錨索網(wǎng)支護(hù)技術(shù)對+1 200 m 掘進(jìn)巷道圍巖頂板進(jìn)行支護(hù)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(hù)技術(shù)在淺部復(fù)雜地層巷道支護(hù)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(jìn)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(hù)具有重要意義。通過利用錨索網(wǎng)支護(hù)技術(shù)對某礦+1 200 m 掘進(jìn)巷道頂板進(jìn)行支護(hù)應(yīng)用，結(jié)果表明，在淺部復(fù)雜地層中掘進(jìn)時，錨索網(wǎng)支護(hù)技術(shù)能極大提高巷道安全穩(wěn)定性。