多类型复合顶板锚杆预应力场分布特征及支护优化

李风珍

(晋能集团有限公司科技发展部，山西 太原 030006)

煤矿巷道大多数处于沉积岩层中，顶板一般由一种或多种岩层和层理面组合而成，结构类型复杂多变，导致巷道破坏机理和破坏特征差异性很大[1-2]。锚杆支护作为巷道的主要支护形式，是复合顶板巷道围岩控制的主要手段[3]。相关研究表明[4-5]，对于复合顶板巷道，锚杆支护的实质是通过消除层状岩体层理间的岩体力学性能弱化作用，使岩体趋于完整，充分发挥围岩的整体承载能力。预应力作为锚杆支护的核心，其在复合岩层中的分布扩散对改善层状岩体力学性能具有重要作用[6-7]。

针对晋能集团阳泉矿区巷道顶板岩层结构的多样性与复杂性，在大范围顶板原位强度测试和围岩结构窥视的基础上，对巷道顶板结构类型进行划分。建立数值模型，对比分析不同组合岩层和锚固参数下锚杆预应力场的分布特征。基于预应力场扩散效果，对复合顶板巷道锚杆支护参数进行优化，并选取典型巷道进行现场实践验证。

1 巷道顶板结构类型划分

1.1 主采煤层地质概况

晋能集团阳泉矿区分布的矿井主要有上社、二景、和谐、常顺、程庄、皇后、保安等，所有矿井均开采15#煤层。另外，上社矿井同时开采9#煤层，常顺矿井同时开采12#煤层。 其中，9#煤层厚10 m左右，顶板为砂质泥岩和薄煤层互层；12#煤层厚8.7 m左右，顶板为厚层砂质泥岩和泥岩；15#煤层厚5～10m，顶板为砂质泥岩和K2灰岩互层。上社、二景、和谐、常顺、程庄、皇后等矿井埋深200～500 m，保安矿井埋深800 m左右。上社矿井9#煤层与15#煤层层间距100 m左右，常顺矿井12#煤层与15#煤层层间距25～40 m。

1.2 顶板强度测试分析

采用触探法强度测试仪和结构窥视仪，对阳泉矿区巷道顶板和巷帮10 m范围内的围岩强度和节理裂隙发育进行了原位测试，各主采煤层巷道顶板强度测试测试结果如图1所示。

由图1～3可得出以下结论。①阳泉矿区所采9#煤层厚度较大，多数巷道托顶煤，顶板以煤层、泥岩砂质泥岩为主，平均强度13～32 MPa，顶板岩层中有两层强度较低的煤层，可视为软弱夹层。 ②12#煤层巷道同样多数托顶煤，顶板岩性以顶煤、泥岩和砂质泥岩为主，强度在11～55 MPa之间，顶板岩层强度分布呈下软上硬。③15#煤层顶板以砂质泥岩、砂岩、石灰岩为主，强度为11～120 MPa，顶板强度分布差异明显，局部节理裂隙比较发育，煤体松软。几乎各矿顶板均有强度较高的K2灰岩，强度在100 MPa以上。皇后矿井、二景矿井和保安矿井为沿顶板掘进，保安矿井顶板中部强度较低，顶板下部和上部则强度偏高；二景矿井顶板下部强度偏高，顶板上部则强度较低；皇后矿井顶板下部强度偏低，顶板上部则强度较高；常顺矿井、程庄矿井、和谐矿井、上社矿井等掘进时托顶煤，常顺矿井和和谐矿井顶板中部强度较高，顶板下部和上部则强度偏低；程庄矿井和上社矿井则顶板中部强度较低，顶板下部和上部则强度偏高。

图1 9#煤层巷道顶板强度Fig.1 9# coal seam roadway roof strength

图2 12#煤层巷道顶板强度Fig.2 12# coal seam roadway roof strength

图3 15#煤层巷道顶板强度Fig.3 15# coal seam roadway roof strength

1.3 顶板结构类型划分

通过对阳泉等矿井的多条复合层状顶板巷道进行调研和现场原位测试结果，绘制典型巷道顶板岩层岩性及强度曲线，如图4所示。由图4可知，阳泉矿井锚杆锚索支护10 m范围内的岩性主要包括软弱的顶煤和泥岩，强度普遍在30 MPa以下；中等强度的砂质泥岩，强度普遍在30～60 MPa之间；坚硬的石灰岩和砂岩，强度普遍在60 MPa以上。

根据巷道岩层结构探测得到的有关钻孔柱状及其组合形式，巷道顶板岩层结构类型可分为4种，图5(a)为由泥岩、顶煤、砂质泥岩组成的软弱型顶板；图5(b)为从顶板浅部到深部由泥岩或煤层和石灰岩或砂岩组成的软硬相间型顶板；图5(c)为从顶板浅部到深部由石灰岩或砂岩和砂质泥、泥岩或煤层组成的下硬上软型顶板；图5(d)为硬软相间型顶板。

2 复合顶板锚杆支护预应力分布特征

建立数值模型，对比分析单一岩层和复合岩层不同组合顺序(软-硬、硬-软)、不同锚固方式(端部锚固与加长锚固)、不同组合构件(W钢带、W钢护板、托盘、钢筋托梁)、不同预紧力情况下预应力分布特征，对不同类型复合岩层锚固参数进行优化。单一岩层、两层复合岩层和三层复合岩层锚杆预应力场分布规律如图6所示。

通过对比分析不同方案下预应力场分布特征，得出如下结论。

1) 对于单一岩层，无论是硬岩还是软岩，锚杆预应力整体上呈“两拉一压”的分布特征，即托板上方形成的压应力Ⅰ区，锚固段下方形成的压应力Ⅱ区和锚固段附近受拉形成的拉应力区Ⅲ区。两者的差异是在托板处形成的压应力峰值软岩高于硬岩。

2) 对于两层复合岩层，锚杆预应力场整体上呈“两拉一压”的分布特征，但由于层理面的存在，导致锚杆预应力场在围岩中的不连续分布，高压应力(比如0.05 MPa)的分布范围明显小于单一岩层。此外，就压应力分布范围而言，软-硬复合岩层的托板压应力范围(Ⅰ区)要好于硬-软复合岩层。

图4 典型巷道顶板岩性及强度曲线Fig.4 Lithology and strength curve of typical roadway roof

图5 巷道顶板岩层结构类型Fig.5 Structure type of roadway roof

图6 单一岩层锚杆支护预应力场Fig.6 Prestressed field of single rock bolt support

图7 两层复合岩层锚杆支护预应力场Fig.7 Prestressed field of bolt support in two-layer composite rock stratum

图8 三层复合岩层锚杆支护预应力场Fig.8 Prestressed field of bolt support in three-layer composite rock stratum

3) 对于三层复合岩层，由于多层层理面的存在，锚杆预应力分布不连续特征更加明显。其中硬软相间型复合岩层预应力不连续性比软硬相间型复合岩层更突出。这是由于软硬相间复合岩层中Ⅰ区与Ⅱ区扩散效果更好，能够有效结合，而硬软相间型复合岩层，扩散范围小，不能有效连接成片。

4) 通过对比分析不同护表构件和锚固方式情况下预应力分布效果，得到不同支护构件预应力扩散效果依次为：W钢带、W钢护板、托盘、钢筋托梁；对于复合顶板锚固参数优化来说，优先将锚固段布置在硬岩中，保证锚固力的前提下，留设一定自由段长度，有利于预应力在围岩中充分作用；对于层理发育顶板，通过合理控制锚固长度，使层理面位于锚固段中后部，避开锚杆拉应力集中区域，可以降低锚杆拉应力对层理面的影响。

3 现场应用

3.1 工程概况

阳泉矿区上社矿井9304进风巷设计长度1 743 m，巷道沿9#煤层顶板掘进，掘进断面宽5.0 m，掘进断面高3.1 m，掘进断面积15.5 m2。巷道地面标高1 160～1 270 m，井下标高860～930 m。巷道为动压巷道，巷道距9306回风巷的净煤柱尺寸25 m。

现场地质力学测试结果表明：巷道顶板10 m范围之内0～2.8 m为泥岩，平均强度28.5 MPa；2.8～4.2 m为8#煤层，黑色，较为完整，平均强度13.98 MPa；4.2～7.7 m为砂质泥岩，岩层基本完整，无明显裂隙，平均强度31.99 MPa；7.8～8.1 m为薄煤层，-平均强度为12.71 MPa；8.2～10.0 m为砂质泥岩，灰黑色，局部裂隙发育，平均强度。顶板10 m范围内岩层强度平均值25.3 MPa。巷帮煤体较为完整，无明显裂隙与破碎带，10 m范围内强度平均值9.3 MPa。水压致裂法地应力测试结果显示该巷道附近最大水平主应力σH=10.9 MPa，最小水平主应力σk=6.1 MPa，垂直主应力σp=7.7 MPa，属于中低应力场区。

图9 巷道围岩强度测试曲线Fig.9 Strength test curve of roadway surrounding rock

图10 巷道支护布置图Fig.10 Roadway support layout

3.2 巷道支护参数

根据前述顶板结构类型划分标准，该巷道顶板为软弱型层状顶板巷道。对于该类顶板巷道，在保证锚杆(索)锚固力的前提下，一方面要提高锚杆(索)的初始预紧力，充分发挥锚杆支护对岩层的垂向离层和水平错动的抑制作用；另一方面要采用大护表构件，充分发挥预应力场在软弱复合岩层的扩散效果。

综合以上原则，并考虑二次动压影响，巷道支护形式为高预应力锚网带支护。锚杆采用树脂加长锚固，采用一支双速树脂锚固剂MSCK2330+Z2350，锚固长度为1 100 mm，锚杆预紧扭矩≥300 N·m，不超过500 N·m。锚索索体为Ф17.8 mm、1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度6 200 mm，采用一支双速树脂锚固剂MSCK2340+Z2380，锚固长度为1 360 mm，初张拉至230 kN，损失后不低于180 kN。巷道顶板采用W钢带+菱形金属网护顶，巷帮采用W刚护板+菱形金属网护帮。巷道具体支护参数如图10所示。

3.3 矿压观测

在巷道掘进和工作面回采期间，布置矿压监测测站，监测移、锚杆(索)受力和巷道表面位。 监测结果显示，掘进期间回采期间巷道顶板最大下沉量18 mm，巷帮最大位移量为15 mm。 大部分锚杆受力在30～55 kN之间，顶板锚索平均受力140～200 kN，顶板离层量在2～5 mm之间，均在允许范围内，巷道控制效果良好(图11)。

图11 巷道位移量Fig.11 Displacement of roadway

4 结 论

1) 通过大范围顶板原位强度测试和结构窥视，将晋能集团阳泉矿区主采煤层巷道顶板类型分为软弱型、软硬相间型、下硬上软型和硬软相间型。

2) 数值模拟结果显示，无论是单一岩层还是复合岩层，锚杆预应力整体上呈“两拉一压”的分布特征；单一岩层中，软岩在托板处形成的压应力峰值要高于硬岩；在复合岩层中，层理面是阻碍锚杆支护应力传递的主要因素，层里面越多，形成的有效压应力范围越小。

3) 对于复合顶板巷道锚固支护来说，施加高预紧力和使用大护表构件，可以有效扩大锚杆压应力区范围；另外通过调整锚固长度或锚杆长度，使层理面位于压应力较高的区域，可以有效避免巷道顶板垂向离层和水平错动。

4) 以软弱型顶板巷道为例，开展复合顶板巷道围岩锚固支护优化现场实践，采用高预应力锚杆(索)配合W刚护板等大护表构件支护，监测区域巷道位移和锚杆(索)受力均在允许范围内，验证了锚固技术的可行性。