复合顶板煤巷锚杆支护技术研究

李强

摘要：为解决复杂地质条件下复合煤层顶板巷道支护技术难题，临涣煤矿通过对9113机巷围岩变形破坏情况的现场调查分析前提下，对复合顶板巷道顶板围岩稳定性进行理论分析，提出了高强稳定型锚网支护技术，通过现场运用实践，巷道围岩变形速度慢，变形量小，巷道掘进对顶板影响期短，影响范围小，锚杆锚索受力状态良好，护表强度满足实际使用要求，能够为矿井的安全生产提供技术保障。

关键词： 复合煤层顶板；围岩稳定性；锚网支护；现场实践

1、前言

随着煤炭资源的开采量不断增大和机械化采煤水平提高，地质条件较好的煤层资源和浅表部煤炭资源越来越少，煤炭资源的开采不得不向地质条件复杂的煤层和深部方向发展。其中复合顶板煤层开采是向地质条件复杂煤层开采而临的迫切需要解决的问题之一，随着矿井开采地质条件的复杂化，特别是在含软弱价夹层的复合顶板条件下，巷道支护问题是矿井建设中需重点解决的问题，而软岩巷道支护一向是阻碍煤矿开采的一大难题。

淮北矿业股份有限公司临涣煤矿11采区主采7、9、10三层煤，其中9#煤层顶板含多层软弱夹层，其中含有8#煤线，因此，9#煤层工作面回采巷道为典型的复合顶板巷道，目前11采区煤巷主要采用U型钢棚被动支护，支护成本高，工人劳动强度大，后期受回采影响，巷道变形量大，维护困难。

锚网索巷道支护是一种有效的主动支护方式。由于对巷道围岩强度的强化作用，可显著提高围岩的稳定性，可以明显改善作业环境和安全生产条件，因此在临涣煤矿复合顶板煤层仅有U型钢棚支护这种形式中，迫切需要对9#煤回采巷道的支护问题进行研究，解决9#煤大断面煤巷的锚网支护难题。

2、工程概况

临涣煤矿9113工作面位于Ⅰ 11采区南部，井下标高-413.1～-524.0m，施工层位为9#煤层，巷道沿煤层顶板施工，9#煤直接顶岩性主要为粉砂岩、泥岩、8煤组合，粉砂岩平均厚4.3m，泥岩平均厚1.5m， 8煤平均厚0.8m，直接底为泥岩、9_下煤组合，泥岩平均厚度2.2m， 9_下煤平均厚度0.8m。

9113工作面机巷目前采用U29型钢架棚支护，采用菱形网、铁背板腰帮过顶。U型钢棚由三节组成，搭接长度500mm，每棚使用4个限位卡，卡缆间距440mm，棚间距为800mm。

通过对9113机巷围岩变形破坏情况的现场调查分析，巷道采用U型钢棚支护存在以下问题：

（1）架棚支护一般不能对围岩起到明显加固作用，围岩不仅不能发挥主动承载作用，反而以载荷形式作用到支架上。随着时间的延长，顶板离层范围扩大，支架载荷也会随之增加；

（2）巷道U型钢棚支护接顶效果不好，部分地段出现顶梁弯曲下沉现象。因为9113机巷顶板节理较为发育，在掘进过程中，容易超挖，现场施工中均采用塞木背板进行接顶，这使得U型钢的受力易偏载，不能较好发挥支护承载作用。

（3）巷道掘进期间，矿压显现明显，巷道围岩自稳时间短，在掘巷初期顶板一经破裂就形成松动围岩压力，而棚式支架的工作特性是初撑力极低，完全无力控制顶板破裂过程的发展，然后巷道围岩继续位移，挤压支架，巷道持续呈现变形。软弱顶板的松动围岩压力与巷道跨度呈正比关系，即支架顶梁的外载随顶梁长度的增加而增长。另外现有支架控制巷道侧压的能力很差，造成两帮内移较大。

3、复合顶板巷道顶板围岩稳定性分析

复合顶板叠合梁各岩层下侧在垂直荷载作用下产生拉应力，并发生挠曲变形，而水平构造应力的作用进一步增大了复合顶板岩梁跨中下侧拉应力，进而导致复合顶板岩层下侧出现拉裂甚至破坏。

当用锚杆将叠合岩梁锚固后形成组合梁，复合顶板组合岩梁在垂直均布荷载和水平构造应力联合作用下发生弯曲变形，叠合岩梁与组合岩梁的挠度之比、弯矩之比及最大拉应力之比与岩梁的叠合层数、层高、弹性模量、跨度、垂直荷载及侧压力系数有关。随着岩梁层数的增加，垂直荷载和水平荷载联合作用下义合顶板锚固前后挠度比呈抛物线形增加，最大拉应力比近似呈线性增加；弯矩比却随着岩梁层数增加呈双曲线形减小。当层数超过6层后，弯矩比值趋于稳定。该现象表明：顶板叠合岩梁锚固后，顶板岩层的整体抗弯能力得以大幅度提高，大大降低了最下部岩梁的拉应力和挠曲变形。

锚网支护的核心是锚杆对巷道浅部破裂岩体起到支护和加固的作用。此外，锚杆对于松散破碎的煤层巷道而言，除了锚杆对岩体的加固作用外，与锚杆支护相配合的其他构件，同样严重影响锚杆支护作用的发挥程度。对于围岩软弱破碎的巷道而言，高强度锚网索主动支护作用首先表现在对破裂岩体的支护作用；其次是锚杆对破裂岩体的加固作用，发挥岩体的自承载能力；再次实现锚杆与锚索的协同承载，达到高强度锚网索主动支护的要求。

4、高强稳定型锚网支护技术

根据9#煤层复合顶板锚杆索锚固性能，结合现场实际情况，考虑锚网支护方案，达到既能及时有效地控制掘进迎头的顶板片顶、冒落，有利锚网索正常施工，又能形成可靠的锚网支护承载结构，有效地控制巷道围岩变形。

具体支护参数为：巷道顶部采用Φ22×2400mm左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，锚杆间排距700×800mm，铺设钢筋网+注塑网配合M钢带支护；巷道帮部采用Φ22×2400mm左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，巷道帮部锚杆间排距800×800mm，铺设钢筋网+注塑网配合钢带支护。每个锚杆孔采用1支K2550加1支Z2550树脂锚固剂，锚杆托盘采用140×140×10mm M托盘，材质为A3钢加工。巷道顶板、帮部肩窝及帮脚的倾斜锚杆安装时须采用可调心托盘、球形座和减摩垫圈。网的搭接长度不得小于100mm，并用铁丝双排扣联接，联接采用14#以上双股铁丝扭接连网，联接点间距不大于200mm。锚索支护作为加强支护措施，提高锚网基本支护形成的组合梁或组合拱结构的抗弯能力，从而提高浅部围岩的稳定性。巷道顶部采用Φ17.8mm×L6300mm型锚索，锚索间排距为1150×800mm，锚索布置在两排锚杆中间，按3-3-3的方式布置。每根锚索采用1支K2550+ 2支Z2550型树脂锚固剂，锚索托盘采用规格为400×400×16mm的鼓型托盘。

施工工艺及其要求：当顶板条件较好时，锚索可以先按3-0-3布置方式紧跟迎头施工。其余锚索可以在掘进机后方补打，后方补打锚索型号为Φ17.8mm×L7300mm，但当顶板离层量大于10～15mm时，需及时补打其余锚索，补打锚索型号为Φ17.8mm×L7300mm，锚索张拉后，紧邻的前后排锚杆需重新预紧，以有效控制复合顶板离层。

5、支护效果分析

为了更加全面的掌握锚网支护承载结构的载荷和巷道围岩变形规律，矿井在9113工作面机巷分别对围岩变形规律、支护承载结构的实际受力状态进行了现场实测。通过对矿压监测数据进行分析，得出了：

（1）巷道围岩变形速度慢，变形量小，围岩表面位移呈现两帮内移>顶板下沉>底鼓的规律，巷道右帮存在瓦斯抽放孔，导致煤壁强度降低，在地压作用下产生一定的变形破坏；巷道顶板完整，锚杆支护范围内岩层稳定，顶部出现了少量离层现象

（2）巷道掘进对顶板影响期短，影响范围小。锚杆受力在距掘进迎头12.0m范围内增长速率很快，12.0m至28m范围内速率较小，之后趋近于0。这是因为在前12.0m主要受掘进工作面影响；巷道围岩变形完成后，锚杆受力虽略有增加但基本保持稳定。

（3）测试结果表明锚杆索受力状态良好，护表强度满足实际使用要求。可以适当调整锚杆索间排距，提高巷道掘进速度，进一步降低支护成本。