复合顶板下锚网索支护参数优化研究

杨文峰　冯福现　李国清

摘要：文章通过理论分析、耦合支护效果分析及工程支护效果分析，分析了复合顶板巷道变形破坏机理，对相应的锚网索支护技术参数、支护耦合参数进行了优化，提出针对中国平煤神马集团平煤股份九矿己16-17煤层复合顶板下的锚网索支护参数及耦合支护参数，对复合顶板锚网索支护参数进行优化，提高复合顶板锚网索支护效果。

关键词：复合顶板；支护参数；三径匹配；优化设计；锚网索支护 文献标识码：A

中图分类号：TD353 文章编号：1009-2374（2016）02-0155-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.076

复合顶板巷道在煤矿中有广泛的分布，复合顶板的支护是国内外巷道支护的难题之一，复合顶板的变形破坏主要是因锚杆支护的主动支护作用较差，复合顶板各岩层的节理裂隙发育，锚网索支护由于初始锚杆（索）初始预应力低，现场施工要求不严，锚杆（索）支护初始预紧力不足，层理发育、关键部位支护变形严重，加之材料管理混乱，钻头、锚杆、锚固剂三径不匹配等各种原因，使复合顶板的初期离层量和变形量较大，进而顶板的稳定性持续恶化，最终导致复合顶板的大变形以至破坏。为此采用高预应力锚杆（索），提高锚杆（索）的初始预紧力以充分发挥锚杆（索）的主动支护作用，采用W、M钢带或梯形梁、工字钢组合梁、护板帮等耦合支护，提高现场施工管理，为了研究锚网索耦合支护技术在复合顶板下的适用性，对我矿己16-17煤层复合顶板原锚网索支护出现的问题及破碎原因进行分析，对我矿己16-17煤层复合顶板锚网索支护参数进行优化，确定具体的耦合支护参数。

1 工程概况

我单位现施工的己16-17-22051风机两巷采深较大（-518～-630m），巷道设计断面为梯形断面，断面尺寸净宽4.6m、净高3.3m，顶板倾角16°～25°。巷道为全煤巷，沿煤层顶板掘进，其断面顶、底板及两帮围岩主要为泥岩、砂质泥岩和煤，围岩较为松软，巷道顶板及两帮压力较大，受锅底山断层影响，工作面隐伏地质小构造多，局部巷道顶板不稳定。

2 原巷道支护情况及支护效果分析

原巷道采用Φ20/Φ22×2200mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆（强度335MPa），Φ15.8/Φ17.8×7000mm钢绞线。原巷道部分巷道变形严重，巷道重复维修工程量大、维修成本高，严重制约我矿掘进单产单进水平，增大了维修人力成本投入及材料投入，一次支护变形严重后二次支护难度加大，后期维修成本高。

锚杆（索）的初始预应力过小、长度有限，使得锚网索支护的主动支护效果得到很大降低，锚杆支护不能有效发挥作用，围岩变形更加显著。一旦受到外部因素扰动，巷道内容易形成应力集中，表现为较大的水平应力。该构造应力使巷道围岩沿着各自区域内的弱面破坏，弹性区一部分进入塑性状态，扩大了塑性区的范围，使得锚杆在现有长度条件下，不能深入到关键承载圈，削弱了锚杆的锚固效果。如果一次锚固效果不佳，使得围岩稳定性遭到很大破坏，增大了后期巷道的支护难度。

3 巷道支护优化效果

經施工期间，锚杆（索）长度及强度的不断加强，锚杆从Φ20×2200mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆（强度335MPa）到现采用Φ22×2600mm高强让压锚杆（强度500MPa），锚索从Φ15.8×6800mm钢绞线到现采用Φ22×7000mm钢绞线，到梯形梁、W钢带、护帮板（旧U型钢）的投入，支护效果得到了很大提高，促进了我矿高度、高预应力锚网索支护材料的投入，也取得了一定的效果，优化后的支护参数及耦合支护在我矿得到了进一步的使用，降低了我矿巷道维修成本及投入。

4 巷道支护参数及耦合参数优化

巷道支护情况的好坏主要取决于锚杆支护形式和参数的设计。采用锚网索支护时，在围岩出现破坏、变形之前，锚杆主要通过提供径向约束和切向约束对锚固范围内的顶板岩层产生围压，提高围岩中弱面的抗剪强度和残余强度，增强锚固范围内岩层承受水平构造应力的能力，避免应力向上转移形成新的破坏区，锚索主要起悬吊作用，对顶板进行深部锚固，将锚杆支护形成的组合拱承载结构传递到坚硬顶板中。这样锚杆与锚索就组成了耦合支护系统，在巷道顶板形成了耦合承载区，梯形梁、W钢带、护帮板（旧U型钢）起均衡锚杆受力和提高整体支护作用，提高巷道支护的支护效果。顶部锚杆支护材料选取，按加固拱原理及悬吊理论验算确定锚杆支护参数如下，锚杆长度按悬吊理论计算：

4.1 锚杆长度L

锚杆长度的计算公式：

L=L1+kLp+L2

式中：

k——安全系数，取1.3

L1——锚杆外露长度，取0.1～0.4m

Lp——塑性区宽度，根据现场实测，顶板松动圈厚度取1.3～1.4m

L2——锚杆锚入围岩松动圈之外的深度，取0.4m

实际采用Φ22×2600mm高强让压锚杆（强度500MPa）。

4.2 锚固力N

N=π/4·（d2δ屈）

式中：

δ屈——杆体材料屈服强度，500MPa

d——杆体直径，22mm

N=π/4×0.0222×500×106=190kN

4.3 锚杆间排距

锚杆间距D≤1/2L=1/2×2600=1300mm，取800mm。

锚杆排距L0=nN/（2kraL2）

式中：

n——每排锚杆数，7根

N——设计锚固力，150kN

k——安全系数，取3

r——上覆岩层平均容重，24kN/m3

a——巷道掘进宽度之半，2.3m

根据参数计算，L=7×190×103/（2×3×24×103×2.3×1.5）=2.677m，取800mm。巷道两帮锚杆间排距采用800×800mm，符合支护要求。

以上计算为锚杆支护验算，不含锚索、W钢带，为加强巷道支护强度增加锚索、W钢带耦合支护。

过构造带期间，由于巷道顶板不稳定，岩层层理发育，复合顶板增厚，如支护效果仍不理想，可以使用已经得到支护效果的锚索工字钢组合梁耦合锚杆支护，提高巷道的支护效果。

优化后支护效果，由于有了高预应力长锚杆、长锚索的使用，极大地增加了锚网索支护的主要支护系数，高预应力锚索的使用调动了深部稳定岩石的锚固强度，同时由于W钢带、护帮板的耦合支护效果，巷道支护整体性得到了极大的增强，现场支护效果明显，巷道围岩变形显著减小，巷道断面的强烈变形得到有效控制。

5 施工期间

施工期间，发现由于管理不完善，现场职工素质有待提高，发现钻头、锚杆（索）、锚固力三经匹配落实较差，经现场取样，三经不匹配，钻头过大，锚固剂过细，都使锚固效果得到很大的降低，所以施工期间加强现场管理，一般杆体直径与钻孔直径的孔径差应控制在6～10mm，钻孔直径与树脂药卷直径之差应为4～8mm。提高锚杆支护与岩层的整体性，提高初始锚固力，以确保施工期间高预应力锚杆（索）支护效果。

6 支护参数得到优化后效果

（1）充分调动了深部稳定岩石的锚固强度；（2）高预应力预紧力支护材料的投入增大了初始锚固强度，提高了初始围岩的稳定程度和初始的锚固强度；（3）耦合支护的使用使巷道的支护整体性得到了极大增强，减少了巷道围岩变形，巷道断面的强烈变形得到了很好的控制；（4）加強对施工现场的管理，在相同材料投入的情况下，提高了锚网索支护的支护效果。

7 结语

（1）高预应力预紧力材料的投入，增大了锚杆的初始锚固效果，提高锚网索支护的预紧力可以提高巷道的支护强度。（2）组合构件的支护作用主要表现为：锚杆预应力和工作阻力扩散作用；支护锚杆间围岩，改善围岩应力状态；均衡锚杆受力和提高整体支护作用；减少锚杆预应力损失的作用。（3）耦合支护的使用提高了巷道支护的整体性，可以极大地降低巷道支护变形，提高巷道整体支护效果。

参考文献

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（责任编辑：蒋建华）