9104 运输巷复合顶板支护技术研究

白树杰

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 030600）

1 工程概况

新元煤矿9104 工作面平均埋深为500m，工作面走向长1217.4m，倾斜长230.8m，所采9#煤层平均厚度3.8m，倾角1°～5°，平均2°，煤层中含2～3层泥质夹矸，厚度一般为0.20～1.00m 左右。9104工作面采用双巷布置，其中9104 运输巷沿9#煤层顶板掘进，净宽5.0m，净高3.8m，掘进总长度为1322m，采用钢筋钢带+金属网+锚杆+锚索联合支护。顶板每排打5 根锚杆，间排距为1m×1m，锚索采用三花布置，即第一排在巷中线两侧1.8m 处分别布置一根，第二排在巷中布置1 根，锚索排距均为1m。巷帮每排打4 根锚杆，间距为900mm，排距为1000mm。在支护过程中所使用的锚杆型号均为Ф20×2400mm 的左旋螺纹钢锚杆，锚索型号均为Ф17.5×6400mm 的预应力钢绞线。巷道断面支护如图1 所示。

图1 巷道断面支护图

2 巷道围岩原位实测

2.1 巷道顶底板围岩赋存情况及强度测试

在9104 运输巷顶底板选取合适的位置进行打钻取芯，将所取岩芯进行加工后对其密封并带回实验室，通过NSY-500 型液压机对各岩层试块的围岩物理力学参数展开测试，如表1 所示。

表1 巷道顶底板围岩赋存状况及力学参数统计表

从表中看出9104 运输巷顶板为复合顶板。直接顶为砂质泥岩，该岩层层厚仅有1.9m，且其强度与同类岩层强度相比较低，裂隙较为发育。该岩层之上为0.8m 的软弱夹层，该夹层为泥岩。软弱夹层之上则分别覆盖一层约2.8m 的细粒砂岩和1.3m的砂质泥岩，这两层围岩的强度均低于同类岩层。砂质泥岩之上则为8.6m 的粉砂岩，经测试该岩层强度较高，围岩完整性较好。

2.2 巷道围岩可锚性测试分析

锚固力是决定锚杆支护成功与否的关键因素，锚固力大小的判定不能单纯地依赖于理论计算，而需要在现场对其进行实际测试，目前最常用的方法为拉拔力试验。为了确定该巷道锚杆（索）在复合顶板条件下的可锚性，在9104 运输巷掘进断面的顶板对锚固力展开测试，测试结果如表2、表3 所示。

表2 巷道锚杆可锚性测试结果

表3 巷道锚索可锚性测试结果

根据挤压加固拱理论，锚杆锚固力应不小于7t，锚索锚固力应不小于15t。9104 运输巷的围岩可锚性测试结果显示，该巷道锚杆锚固力在8t 以上，锚索锚固力在20t 以上。由此可知该巷道围岩可锚性较好，可选择锚杆（索）对其进行联合支护。

2.3 锚杆（索）预紧力现场监测

锚杆（索）预紧力的施加是否合理对于巷道围岩稳定性具有重要影响。若预紧力过小，各岩层之间则较为松散，不能形成有效的承载结构；若预紧力施加过大，则易使围岩发生挤压破碎，顶板控制难度反而加大。为了掌握该巷道锚杆（索）预紧力的施加情况，对80 根锚杆、60 根锚索的预紧力施加情况进行了现场监测。锚杆预紧力监测结果如图2 所示。

图2 锚杆预紧力分布柱状图

图2 为锚杆预紧力分布柱状图。从图中可以看出锚杆预紧力主要分布在45～50kN 之间，分布在该范围内的锚杆达到了47 根，占到了总锚杆数的58.8%；预紧力分布于50～55kN 之间的锚杆根数为16 根，仅次于预紧力分布在45～50kN 之间的锚杆根数；预紧力超过60kN 的锚杆根数最少，仅有8 根，仅占锚杆总根数的10%。

从图3 中可以看出锚索预紧力主要分布在150～160kN 之间，处于该范围内的锚索达到了43根，占到了锚索总根数的71.7%；预紧力分布于160～170kN 之间的锚索为10 根；预紧力达到170kN以上的锚索仅有7 根，仅占锚索总根数的11.7%。

图3 锚索预紧力分布柱状图

根据锚杆（索）预紧力的现场监测结果来看，锚杆（索）所施加的预紧力变化幅度较大。其中锚杆预紧力主要集中在45～50kN 之间，锚索预紧力主要集中于150～160kN 之间，锚杆（索）预紧力普遍偏低。

3 9104 运输巷变形破坏原因

（1）9104 运输巷顶板为复合顶板，上覆岩层数量较多，除粉砂岩外，每一层岩层的厚度均比较薄，层间连接性较差。在距顶板2.7m 处有一层软弱夹层，正好处于锚杆锚固段上方，导致锚杆的锚固基础较差，对顶板难以形成强有力的支护。

（2）巷道顶板的泥岩、砂质泥岩以及细粒砂岩与同类岩层相比，其强度要低许多，且岩层内部裂隙较为发育。距顶板表面6.8m 深处范围内的围岩其强度整体偏低，6.8m 以上的围岩强度相对较高，围岩完整性较好，而该巷道采用的锚索长度仅有6.4m，锚索的锚固基础同样较差。

（3）9104 运输巷顶板具有较强的可锚性，且从锚杆（索）预紧力的监测结果来看，该巷道锚杆（索）预紧力的施加普遍偏低且缺乏规范化管理，不能对顶板形成及时有效的支护。

4 支护方案优化

（1）将锚杆间排距调整为900mm×900mm，锚索改为三二支护。即第一排在巷中布置一根锚索，距巷中线左右2m 处各布置一根，第二排在距巷中线左右1m 处各布置一根锚索，以此循环，锚索排距调整为900mm，巷帮锚杆间排距不变。

（2）在对巷道进行支护的过程中，将顶板和帮部的锚杆长度统一加长至3m，所施加的预紧力统一增加至80kN，顶板锚索长度则统一加长至7m，所施加的预紧力统一增加至170kN。对预紧力施加的过程中应进行严格的规范化管理。优化后锚杆（索）的布置方式如图4 所示。

图4 支护优化设计图

5 现场监测

对原支护的巷道围岩变形进行30d 监测，监测期内巷道顶底板收敛量达到了226mm，两帮移近量达到了327mm。采用优化方案支护后，30d 监测期间，顶底板收敛量下降36mm，两帮移近量下降55mm，与原支护方案相比分别减少了84.1%和83.2%，巷道围岩稳定性得到了较好的控制。

6 结论

（1）9104 运输巷顶板为复合顶板且含有软弱夹层，距顶板6.8m 范围内围岩强度较低，再加之锚杆（索）支护强度较低，锚固基础较差，在这些因素的共同作用下，巷道变形破坏严重。

（2）针对巷道变形破坏的原因，提出加长锚杆（索）长度+增加预紧力+减少锚杆（索）间排距的联合控制措施对该巷道进行治理。现场监测结果表明，在优化方案的支护下巷道围岩稳定性得到了有效的控制。