泥质胶结砂岩切眼顶板支护结构稳定性分析

智国军，谢 荣，刘 润，任瑞平，郑文翔，卜庆为，郭宇杰

（1.神华包头能源有限责任公司 万利一矿，内蒙古 鄂尔多斯017000；2.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院，内蒙古 包头014010）

地下巷道受到煤岩层赋存条件影响而支护问题复杂且差异明显，对煤矿切眼巷道支护安全稳定带来不利影响。一直以来，井工煤矿对大跨度切眼巷道的支护稳定工程安全问题尤为关注，多位专家学者从力学理论、工程实践等角度开展研究[1-6]。勾攀峰等[7]基于梁结构力学模型建立了回采巷道顶板锚固体稳定性力学方程，为巷道支护结构稳定判别提供了1种力学理论分析方法。针对复合层状顶板条件巷道变形，谢建林等通过采取复合岩层简支梁挠曲力学模型分析，得出了以层间离层、法向拉应力作为复合顶板离层稳定性的预警判据[8-10]。卜庆为等研究巷道层状岩层顶板垮落机理及其影响特征，并建立了层状岩层顶板冒落拱形态及其高度估算的计算方程[11-12]。郭健卿[13]和郑文翔[14]运用叠加梁结构模型分析巷道顶底板的受力变形影响特征，并揭示影响复合顶底板受力变形的主要因素。随着对巷道围岩控制研究的不断深入，大跨度巷道支护普遍以锚杆索主动支护为主，提出了锚网索复合支护、锚杆索协调支护、锚索中心对称支护、顶板分区控制等支护设计方案[9-18]。如今巷道围岩控制研究取得有益成果颇多，但由于地层条件复杂，如万利一矿遇泥质胶结砂岩顶板条件，这类弱胶结、弱夹层的复合顶板条件对大跨度切眼巷道的支护稳定尤为不利，而切眼巷道的支护安全对煤矿正常安全生产影响严重。为此，结合现场分析揭示泥质胶结砂岩顶板的巷道受力破坏特征，通过对大跨度切眼巷道泥质胶结砂岩顶板稳定性力学分析，研究合理有效的支护对策和关键参数，改善现场实际支护工程。

1 泥质胶结砂岩顶板的巷道受力破坏特征

1）工程概况。万利一矿综采207工作面布置如图1，该工作面主采31上煤层（埋深在110 m左右），平均煤厚3.5 m，煤层倾角0°～8°，含夹矸1～2层；207切眼巷道矩形断面（7 600 mm×3 500 mm）沿底掘进，顶板为细、粉砂岩，泥质胶结且稳定性差，属软弱-半坚硬岩层，易发生顶板失稳，底板为粉砂岩、细砂岩且泥质胶结，切眼巷道顶底板岩层赋存条件见表1。

图1 207切眼巷道平面布置Fig.1 Layout plan of 207 cutting roadway

表1 切眼巷道顶底板岩层赋存条件Table 1 Occurrence conditions of roof and floor strata of cutting roadway

2）切眼巷道破坏变形情况现场宏观分析。207切眼巷道顶板为泥质胶结砂岩顶板，泥质胶结致砂岩顶板层间黏结力差，抗剪强度低，极易发生层间错动离层；泥质胶结影响砂岩顶板围岩的承载稳定性，现场切眼巷道的围岩弯曲变形明显；加之207切眼巷道的跨度大，泥质胶结砂岩顶板的主动支护作用的效果限制。

2 锚索作用下切眼巷道泥质胶结砂岩顶板稳定性

2.1 锚索悬吊作用下顶板稳定性力学建模

以锚杆锚固范围内复合顶板梁结构为研究对象，以复合顶板简支梁结构[13-14,19-21]构建泥质胶结砂岩顶板锚索悬吊结构稳定性分析力学模型，锚索悬吊作用下复合梁结构力学模型示意图如图2。

图2 锚索悬吊作用下复合梁结构力学模型示意图Fig.2 Mechanical model of composite beam structure under cable suspension

在垂直应力和水平应力的作用下，层状顶板梁变形方程[13-14]为：

式中：wm为梁变形挠度，m；Mm（x）为层状顶板梁

将边界条件与式（4）～式（6）联立，整理得：

式中：A0、B0为梁结构起始端节点系数。

2.2 工程实例计算

根据万利一矿207工作面切眼巷道围岩条件可知，切眼巷道为矩形断面，跨度L=7.6 m，所处原岩垂直应力pv=3 MPa（埋深110 m），侧向应力系数λ=1.2，复合梁介质弹模E=0.427 GPa，顶板锚固梁结构厚度D=2 m（顶板采取长度为2.4 m锚杆支护布置），锚索支护布置以巷道断面中心线对称等间距布置，出于安全富余考虑，取顶板锚索悬吊作用集中力Fc=400 kN（锚索拉拔力极限荷载510 kN的80%）。将以上参数代入式（4）和式（6）～式（7）分析顶板稳定性，锚杆长度和锚索布置密度对顶板锚固围岩承载变形作用如图3～图4。

由图3可知，锚杆锚固范围越大可提高泥质胶结砂岩复合岩层共同承载能力，锚杆将泥质胶结砂岩顶板锚固于一体实现共同承载，对层间错动起到抑制作用；由于切眼巷道跨度大，锚杆锚固范围外仍可能产生深部离层，配合锚索悬吊支护尤为重要。

由图4可知，1～2根锚索布置时顶板下沉严重，4～5根锚索布置时顶板下沉控制效果较好；锚索布置密度增加是支护反力增强以及顶板锚固体跨度减小，使得泥质胶结砂岩复合岩层顶板锚固体稳定性及其抵抗变形作用效果得以改善，但过多的锚索支护布置造成支护成本高且速度缓慢，分析认为取锚索布置4～6根较为适合。

3 207工作面切眼巷道支护技术

3.1 支护方案

通过力学理论分析指导207工作面切眼巷道泥质胶结砂岩顶板支护设计，提出“预应力钢锚杆+钢筋网+锚索+钢带”主动联合支护方案，207切眼巷道支护布置断面示意图如图5。

图3 锚杆长度对顶板锚固围岩承载变形作用Fig.3 Bearing deformation effect of bolt length on roof anchoring surrounding rock

图4 锚索布置密度对顶板锚固围岩承载变形作用Fig.4 Bearing deformation effect of cable arrangement density on roof anchoring surrounding rock

图5 207切眼巷道支护布置断面示意图Fig.5 Schematic diagram of 207 cutting roadway support layout section

顶板锚杆采用φ18 mm×2 100 mm螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1 000 mm；锚索采用φ17.8 mm×8 000 mm和φ17.8 mm×6 500 mm的钢绞线（中部3根8.0 m锚索且间距1 400 mm，两侧6.5 m锚索且距帮部600～700 mm，排距2 000 m），并用W型钢带连接，顶板网采用钢筋网；正帮（推进方向煤体内）锚杆采用规格为φ18 mm×2 100 mm玻璃钢锚杆，间排距为900 mm×1 000 mm，最上排锚杆距顶400 mm，副帮锚杆采用φ16 mm×1 800 mm圆钢锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm，最上排锚杆距顶板400 mm；正帮网采用阻燃塑料网，副帮网采用钢筋网布置,，底板铺240 mm厚混凝土。

3.2 锚固顶板支护稳定性力学求解

根据式（4）和式（7）得出锚索悬吊作用下层状顶板梁力学模型的最大挠度wmax，并以锚索悬吊承载顶板垮落区域的岩体重力载荷，顶板弯曲变形量作为评价锚索悬吊结构承载稳定标准，得出顶板围岩-支护共同承载的稳定性判别条件方程：

式中：n为锚索数目，当前锚索布置5根；ρ为顶板岩体密度，当前取2 600 kg/m3；g为重力加速度，m/s2，取10 m/s2；Hb为顶板垮落范围的最大高度，现场调研获悉207切眼顶板垮落高度在4 m左右；［w］为顶板弯曲变形量，mm，考虑锚索拉伸延展率取为10%锚索长度lms；L为跨度，当前取7.6 m；wmax为顶板弯曲最大变形量，mm。

结合式（4）和式（6）～式（7）计算，得：

通过207工作面切眼巷道泥质胶结砂岩顶板围岩-支护共同承载的稳定性判别计算可知，207工作面切眼巷道锚索悬吊承载顶板垮落区域的岩体重力载荷稳定，顶板弯曲变形量在锚索悬吊结构承载稳定范围内，所提出的支护设计方案满足安全要求。

3.3 工程现场支护效果反馈分析

工程现场在位于207切眼巷道端部和中部顶板的锚索上布置安装GMY400矿用本安型锚索测力计，同时进行巷道围岩变形监测。当前207切眼巷道顶板测力计显示锚索受力90～103 kN，且未超过锚索极限载荷；结合现场切眼巷道的变形监测显示，顶板变形最大190 mm，巷帮变形最大60 mm，说明207切眼巷道的围岩控制效果良好。

4结 语

1）泥质胶结致砂岩顶板层间黏结力差，抗剪强度低致其载能力差，极易发生层间错动离层；又因为切眼巷道的跨度较大，导致顶板弯曲变形明显。

2)以锚杆锚固范围内复合顶板梁结构为研究对象，运用层状梁力学模型推导得到复合顶板梁锚索悬吊稳定性力学分析方程以分析判别切眼巷道支护稳定性。

3）锚杆支护将泥质胶结砂岩顶板锚固，进而对层间错动起到抑制作用；锚索布置提供可靠支护反力和减小顶板锚固体跨度，提高顶板锚固体稳定以改善变形效果。提出“预应力钢锚杆+钢筋网+锚索+钢带”的主动联合支护对策，现场工程实践表明切眼巷道顶板控制效果良好且满足安全生产要求。