复合顶板下巷道的锚杆支护设计

　　摘要：煤巷锚杆支护在实际施工中，经常会遇到各种各样的问题，给煤巷锚杆支护带来很多困难，复合顶板就是其中之一，如不采取有效措施，将可能产生很大的安全隐患。本文主要从锚杆的支护原理、支护设计、实际应用等方面，对如何确保复合顶板时的锚杆支护质量问题进行了阐述，取的了较好的效果。
　　关键词：复合顶板；监测；设计；
　　一、概述：
　　煤巷沿顶板掘进时常遇到复合顶板，所谓复合顶板是指在煤层顶板由多层岩层和煤线间隔复合而成，层间粘结力弱，暴露易发生离层，支护不良时还可能发生大面积垮落事故。过去我矿在复合顶板下掘巷时，支护方式常采用的是工字钢架棚支护，由于架棚支护是一种被动支护，易造成巷道两帮及顶底版移近量大，支架损坏严重，造成前掘后修的现象，严重影响安全生产。
　　为解决这一施工难题，在现阶段的技术条件下，复合顶板支护方式很多，锚杆支护以其良好的优越性排在所有支护方案的前列。但大量的实践又证明，选用单一的、一成不变的支护设计方案，是不符合复合顶的复杂性和多变性支护要求的，只有因地制宜，根据现场的复合顶板的状况，采用不同参数的锚杆支护设计方案，我矿在Ⅱ463外段机巷、Ⅱ467机巷采用锚杆支护参数动态变化试验研究，并取得了成功。
　　二、支护原理
　　1、支护原理：锚杆设计采用组合拱理论，锚索设计采用悬吊补强理论。
　　1）锚杆的作用
　　锚杆形成承载基础，既然锚杆支护无法阻止深层岩体的松动，那么也无需特别提高顶板支护体强度，只需把锚杆的延展性、高抗拉强度、抗剪强度的优越性发挥出来。锚杆锚固厚度小，锚固体扩容变形量相对较小，扩容应力也较小，利用全长锚固等强螺纹钢锚杆支护，可满足复合顶板底层锚固体的扩容变形和扩容应力，形成初期支护阶段的顶板挤压加固拱平衡状态。
　　2）锚索的作用
　　锚索形成稳定承载体，利用钢绞线锚索预应力对岩体挤压加固作用，使锚索与锚杆支护相互促进、相互补强。锚索有很好的延展性和抗拉强度，使锚索形成的锚固岩体在巷道顶板中部形成一条强度大、结构稳定的承载体。锚索锚固点处在松动圈之外，增加了顶板承载体的稳定性。锚索布置在两排锚杆之间，增加了支护的密度，锚索的高延展性、高强度，进一步提高了承载体的强度、塑性和抗弯曲破坏能力，提高了承载体的自稳能力。
　　3）金属网的作用
　　金属网能够托住挤入巷道的岩石，将锚杆之间非锚固岩层载荷传递给锚杆，有效地控制锚杆之间非锚固岩层的变形；金属网托住已碎裂的岩石，防止碎裂岩体的垮落，虽然巷道围岩已破裂，由于碎石的碎胀作用和传递力的媒体作用，使巷道深部岩石仍保持三向应力状态，大大提高了岩体的残余强度。
　　三、支护设计
　　巷道初始设计采用工程类比法与理论计算相结合的方法，在组织施工过程中，灵活运用支护参数动态设计法，对初始设计予以修正
　　1、设计方法：
　　1）工程类比法：根据要设计巷道的地质条件，通过类比相似地质条件的巷道支护设计，得出支护方案。
　　2）顶板悬吊理论验算：根据顶板复合层的厚度来确定顶板冒落拱的高度，采用理论公式进行验算。
　　3）支护参数动态设计法：核心是顶板岩层结构探测与支护后顶板变形监测和稳定性预测技术，采用打锚索孔或地质探测孔的方法探测顶板的岩层结构，根据探测结果，优化、调整支护参数。随着掘进面的推进，动态监测顶板的岩层变化趋势，根据探测的结果及时发现隐患．并修改和调整待掘进区域设计。消除对围岩条件变化反应滞后的现象，对每个区域都能根据最新的实时反馈信息，得到符合实际的锚杆支护参数。确保支护安全可靠，经济合理，技术可行，取得了良好支护效果。
　　2、设计内容：①锚杆、锚索间排距及长度；②支护材料选择。
　　3、设计流程：①锚杆支护参数初始设计；②现场施工组织；③顶板岩层结构的动态探测；④支护效果监测；⑤参数修改，完善锚杆支护设计。
　　4、矿压观测及优化支护参数
　　1）观测内容包括：顶板离层仪内外离层、巷道表面位移、顶板钻孔窥探仪观测
　　2）支护参数优化：根据矿压信息，不断修正设计，循环往复最后达到参数的最优化。同时对支护后的巷道顶板进行变形监测，预测顶板危险区域，采取控制措施，消除安全隐患。
　　5、煤壁管理：针对三四煤松软特性，采取以下一系列改进措施
　　现象：在巷道施工过程中，断面的顶板倾角大，上帮高达4.0m，容易片帮，导致帮部在没有来得及支护之前，煤就已经塌帮。
　　1）钢筋网全封闭支护针对巷道施工过程中经常出现掉渣空肩现象，为有效地对围岩起到保护和支撑作用，能更好地把顶网和帮网连接成一个整体，增强了钢筋网的支撑和传递力的作用，采用全封闭支护；
　　2）缩小间排距由原来常规间排距800mm×800mm改为600mm×600mm。
　　3）塘材笆片护帮由于煤比较松软，普通的钢筋网网格较大，煤容易外漏，在钢筋网内充填塘材笆片，能更好地防止煤壁片帮。
　　4）加用木垫板在锚杆托盘下加一层木垫板，能起到让压作用，增加弹性，不以致于帮部一来压，减少托盘螺冒崩掉现象。
　　四、应用举例
　　1、试验巷道地质情况
　　刘桥一矿Ⅱ463外段机巷，以Ⅱ362钻采集中机巷Jk点向前137m为中，按方位N233°跟三煤顶板施工平距157m后，跟四煤顶板施工，与Ⅱ463外段机巷直线贯通。巷道全长630m，其中跟三煤顶板施工157m，跟四煤顶板施工473m。
　　巷道围岩特征：三煤煤厚平均1.03m，煤层上部有1~2可见煤线，顶板为细砂岩，灰白色，中厚层状，致密坚硬，F=6~8，厚7~20m，局部有一层灰质泥岩或泥岩伪顶，厚0.1~0.2m，不稳定易冒落。底板（四煤顶板）为深灰色泥岩，厚2.6~6.6m。四煤煤厚平均2.2m，煤层上部有0.9~6.7m的复合顶板，1~3可见煤线，厚度为0.03~0.15m，顶板（三煤底板）为深灰色泥岩，厚2.6~6.6m。底板为粉砂质泥岩，厚4.8m。
　　2、初始设计
　　1）跟三煤顶板施工阶段
　　（1）类比设计
　　顶部：采用φ18mm—M20—1800mm型高强左旋无纵筋螺纹锚杆，锚杆间排距：800mm×900mm，每排5根呈矩形布置，配加3.6m长M型钢带、钢笆网联合支护，每根锚杆使用两卷Z2350型树脂锚固剂进行加长锚固。
　　帮部：采用WGSC20/20Jφ18mm—L2000mm型玻璃钢锚杆，配加π型、钢笆网联合支护，800mm×900mm，帮部每排使用四根锚杆，每根锚杆使用两卷Z2350型树脂锚固剂。
　　网：6＃钢筋焊接的方格网，规格为1000m×1000mm，网格：100mm×100mm，网间要压茬连接。
　　锚索：选用φ15.24mm的高强度低松弛钢绞线，锚索长度根据三、四煤层间距及三煤的厚度来确定，每根锚索使用3支Z2350型树脂锚固剂，锚索托盘采用12号槽钢加工成，长600mm，中间加焊100×100×10mm的钢板，使用配套锁具。锚索间排距为1600mm×1600mm。
　　（2）理论验算：
　　①悬吊理论计算锚杆参数：
　　a、锚杆长度计算：L=KH+L1+L2
　　式中：L---锚杆长度，m；H---冒落拱高度，m；K---安全系数，取2；
　　L1----锚杆锚入稳定岩层的深度,一般取0.4m；
　　L2----锚杆在巷道中的外露长度,一很取0.1m。
　　其中：H===0.53m
　　式中：B----巷道开掘宽度，取4.2m；
　　f----岩石坚固系数，砂岩取4。
　　则：L=2×0.53+0.4+0.1=1.56m
　　b、锚杆间距、排距计算：令锚杆间距、排距均为α，则
　　α=
　　式中：α----锚杆间排距，m；Q----锚杆设计锚固力，88.2KN/根
　　H--冒落拱高度，取2m；γ--被悬吊岩石的重力密度，取16.7KN/m3
　　K----安全系数,取2。
　　α==1.3m
　　施工时取800mm。
　　通过以上计算，顶板锚杆选用直径18mm，长度2200mm的左旋高强无纵筋螺纹锚杆，锚杆间排距800mm×900mm。
　　②按悬吊理论校核锚索排距：
　　根据地质资料分析,巷道跟六层煤顶板施工,六煤顶板为：灰～深灰色粉砂岩，局部为泥岩，为防止巷道顶岩层发生大面积整体垮落，用φ15.24mm、长度为5.4m的钢绞线，用锚索将锚杆加固的“组合梁”整体悬吊于坚硬岩层中，校核锚索间距，冒落方式按最严重的冒落高度考虑。此时靠巷道两帮的角锚杆和锚索一起发挥悬吊作用，在忽略岩体粘结力和内摩擦力的条件下，取垂直方向力的平衡，可用下式计算锚索间距。
　　L=nF2/[BHγ-（2F1sinθ）/L1]
　　式中：L----锚索排距，m；
　　B----巷道最大冒落宽度，4.2m；
　　H----巷道最大冒落高度，按最严重冒落高度取4.0m；
　　γ----岩体容重，16.7KN/m3；
　　L1----锚杆排距，0.8m；
　　F1----锚杆锚固力，88.2KN；
　　F2----锚索极限承载力，230KN；
　　θ----角锚杆与巷道顶板的夹角，75°；
　　n----锚索排数，取1；
　　根据以上计算锚索排距必须小于2.7m，设计锚索间排距为1600mm×1600mm所选锚索参数满足设计需要。
　　2）跟四煤顶板施工阶段
　　①类比设计
　　顶部：采用φ18mm—M20—2200mm型高强左旋无纵筋螺纹锚杆，
　　锚杆间排距：800mm×800mm，每排5根呈矩形布置，配加3.6m长M型钢带、钢笆网和锚索联合支护。
　　帮部：上帮采用φ20mm—L1800mm右旋全螺纹锚杆；下帮采用WGSC20/20Jφ20mm—L2000mm型玻璃钢锚杆。间排距：600mm×600mm，配加π型、钢笆网联合支护。
　　网：6＃钢筋焊接的方格网，规格为1000m×1000mm，网格：100mm×100mm，网间要压茬连接。
　　锚索：选用φ15.24mm的高强度低松弛钢绞线，锚索长度根据三、四煤层间距及三煤的厚度来确定，每根锚索使用3支Z2350型树脂锚固剂，锚索托盘采用12号槽钢加工成，长600mm，中间加焊100×100×10mm的钢板，使用配套锁具。锚索间排距为1600mm×1600mm。
　　②理论验算
　　①悬吊理论计算锚杆参数：
　　a、锚杆长度计算：L=KH+L1+L2
　　式中：L---锚杆长度，m；H---冒落拱高度，m；K---安全系数，取2；
　　L1----锚杆锚入稳定岩层的深度,一般取0.4m；
　　L2----锚杆在巷道中的外露长度,一很取0.1m。
　　其中：H===0.7m
　　式中：B----巷道开掘宽度，取4.2m；
　　f----岩石坚固系数，砂岩取3。
　　则：L=2×0.7+0.4+0.1=1.9m
　　b、锚杆间距、排距计算：令锚杆间距、排距均为α，则
　　α=
　　式中：α----锚杆间排距，m；Q----锚杆设计锚固力，88.2KN/根
　　H--冒落拱高度，取3m；γ--被悬吊岩石的重力密度，取16.7KN/m3
　　K----安全系数,取2。
　　α==0.88m
　　施工时取800mm。
　　通过以上计算，顶板锚杆选用直径18mm，长度2200mm的左旋高强无纵筋螺纹锚杆，锚杆间排距800mm×800mm。
　　②按悬吊理论校核锚索排距：
　　根据地质资料分析,巷道跟六层煤顶板施工,六煤顶板为：灰～深灰色粉砂岩，局部为泥岩，为防止巷道顶岩层发生大面积整体垮落，用φ15.24mm、长度为5.4m的钢绞线，用锚索将锚杆加固的“组合梁”整体悬吊于坚硬岩层中，校核锚索间距，冒落方式按最严重的冒落高度考虑。此时靠巷道两帮的角锚杆和锚索一起发挥悬吊作用，在忽略岩体粘结力和内摩擦力的条件下，取垂直方向力的平衡，可用下式计算锚索间距。
　　L=nF2/[BHγ-（2F1sinθ）/L1]
　　式中：L----锚索排距，m；
　　B----巷道最大冒落宽度，5m；
　　H----巷道最大冒落高度，按最严重冒落高度取4.0m；
　　γ----岩体容重，16.7KN/m3；
　　L1----锚杆排距，0.8m；
　　F1----锚杆锚固力，88.2KN；
　　F2----锚索极限承载力，230KN；
　　θ----角锚杆与巷道顶板的夹角，75°；
　　n----锚索排数，取1；
　　根据以上计算锚索排距必须小于2.3m，设计锚索间排距为1600mm×1600mm所选锚索参数满足设计需要。
　　3、施工中的锚杆支护参数动态优化
　　1）调整帮锚杆：矿压监测表明，两帮位移较小，稳定性较好时，跟三煤顶板施工时锚杆长度由2m减少至1.8m，间距由800mm增大到900mm。
　　2）调整锚索的间排距：初期为了使煤层巷道安全有保证，锚索设计为矩形布置，间排距为1600mm×1600mm，根据实测顶板位移及实际揭露岩性，顶板下沉不大时，锚索排距1600mm改为2400mm，或者将锚索同时改成单线型或五花型布置。根据顶板中部锚杆受力明显过大、而两帮部顶板锚杆发挥效能却很低的杆体受力测试结果，将锚索的间距由2400mm调整为1600mm，按中线对称布置。
　　调整锚索的长度或更改直径：施工过程中，锚索长度根据三、四煤层间距及三煤的厚度来确定。对于顶板淋水，造成泥岩膨胀和强度弱化的顶板，可试图采用Φl8mm锚索加强。
　　4）调整顶部钢带(锚杆)排距：在直接顶条件较好时，将钢带排距增大至900mm。
　　5）特殊情况：当巷道施工中遇到大的地质条件变化时及时进行调整，如遇断层时应改为工字钢架棚支护；如遇顶板破碎时应沿巷中打一排走向挑棚，以确保巷道施工安全；当顶板离层值超过120mm时，应及时打走向挑棚或架工字钢棚加固。
　　4、矿压监测
　　为保证巷道的安全施工，验证锚杆支护参数是否合理，必须对巷道的位移稳定性进行观测。
　　1）测站布置
　　顶板离层仪测点布置：由于三、四煤的顶板地质条件不同，其中跟三煤顶板施工段，每100m安装一个顶板离层仪，共建2个顶板离层测站；跟四煤顶板施工段，每40m安装一个顶板离层仪，共建12个顶板离层测站；
　　巷道表面位移测点布置：由于三、四煤的顶板地质条件不同，其中跟三煤顶板施工段，每100m建一个巷道位移测站，共建2个巷道位移测站；跟四煤顶板施工段，每40m建一个巷道位移测站，共建12个巷道位移测站。
　　2）监测分析
　　①顶板离层分析
　　跟三煤顶板施工段，离层值最大的是二号离层仪，总离层值为9mm，锚固区外离层值为6mm，锚固区内离层值为3mm，在离层仪安装后1—19d顶板离层速度最大，20d后趋于稳定。
　　跟四煤顶板施工段，离层值最大的是十三号离层仪，总离层值为70mm，锚固区外离层值为30mm，锚固区内离层值为40mm，在离层仪安装后2—27d顶板离层速度最大，29d后趋于稳定。从现场巷道顶板情况可看出，该离层仪前后20m范围内巷道顶板比较破碎，是导致巷道顶板离层值较大的主要原因。
　　②巷道表面位移观测分析
　　跟三煤顶板施工段，位移量较大的是二号位移测站，巷道顶底位移量为185mm，在1—20d内顶底位移速度较快，25d后趋于稳定。巷道两帮位移量为275mm，在1—35d内两帮位移速度较快，38d后趋于稳定。巷道位移变化规律：因三煤顶板为细砂岩较坚硬，底板为泥岩和四煤较软，故顶底位移量主要以底板底鼓变形为主，两帮变形量以巷道高帮为主。
　　跟四煤顶板施工段，在该段巷道内建12个位移观测站，其中顶底位移量最大的是九号位移测站，顶底位移量为235mm，在1—18d内顶底位移速度较快，21d后趋于稳定。巷道两帮位移量最大的是八号位移测站，两帮位移量为346mm，在1—30d内两帮位移速度较快，34d后趋于稳定。
　　通过以上分析可知，Ⅱ463外段机巷跟三煤顶板施工段、跟四煤顶板施工段的顶板离层量和巷道位移量均未超过允许范围，能有效地控制巷道的变形，提高巷道围岩的稳定性，说明巷道支护设计中所选择的支护参数是合理可行的。
　　五、结语
　　1、复合顶板下的锚杆支护应因地制宜，根据巷道内复合顶的厚度不同以及岩性的差异来灵活确定锚杆支护的方式和密度。
　　2、在复合顶板淋水的特殊地段，巷道易片帮，顶板易破碎、离层、冒落，巷道掘进工作面环境较恶劣，锚杆、锚索孔淋水，影响了锚杆、锚索支护质量，使支护难度增大，影响了巷道掘进速度。
　　3、对于顶板淋水的地段，顶板因淋水造成泥岩膨胀和强度弱化，并对锚杆、锚索有腐蚀破坏作用，为加强锚索锚固强度，保证巷道支护质量，在以后的施工过程中建议采用Φl8mm锚索加强。
　　4、锚梁网巷道支护技术是解决复合顶板条件下巷道支护的一条有效途径，可供参考。
　　5、目前的锚杆锚索施工质量的检测技术有待进一步提高，目前大多的传统检测手段基本上都停留在有损检测阶段。