深埋煤巷顶板锚索破坏机理及支护技术应用研究

李 辉 巩 赟

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 045400）

1 概况

阳煤集团新元公司9105 工作面处于二水平一采区，地面标高1 098.5～1 181.7 m，工作面标高413.8～517.4 m，埋藏深度553.5～637.8 m，煤层厚度为1.0～4.5 m，平均2.05 m。工作面北部为矿界，南邻西回风大巷，西部为9103 工作面，东部为9107 工作面（规划）。9105 工作面均沿9#煤布置，9#煤层赋存稳定。伪顶为泥岩，均厚0.20 m；直接顶为砂质泥岩，平均厚度2.20 m；基本顶为中砂岩，平均厚度10.80 m；直接底为炭质泥岩，平均厚度0.67 m；基本底为细砂岩，平均厚度2.32 m。9103 工作面回采巷道在掘巷完成后，多处顶板锚索出现破断失效。

2 顶板锚索破断特征研究

2.1 9105 运输顺槽原支护设计

9105 运输顺槽采用矩形断面，支护方式为锚网索梁联合支护，设计宽度4.4 m，高2.7 m。顶板采用Ф22 mm×2200 mm 左旋全螺纹钢锚杆，间排距800 mm。帮锚杆规格为Ф22 mm×2200 mm及Ф20 mm×2000 mm 左旋螺纹钢锚杆，间排距800 mm，每侧4 根。中部2 根锚杆垂直煤壁施工，规格为Ф20 mm×2000 mm；上部、下部1 根垂直煤帮与水平方向呈15°夹角施工，规格为Ф22 mm×2200 mm。顶板及两帮锚杆均采用树脂加长锚固方式，每根锚杆采用一支Z2360 树脂药卷；顶板每排布置3 根锚索，间排距为1200 mm×1600 mm，长度6.25 m，采用三支树脂锚固剂端锚，均垂直顶板施工。如图1。

图1 9105 运输顺槽原支护断面（mm）

2.2 掘巷阶段顶板锚索破断特征

9105 运输顺槽顶板锚索由索体、索具及配套托盘组成[1-2]。索体由预应力钢绞线制成，锚固方式为端锚，据此可以将锚索分为锚固段、自由段、锚尾三段。为掌握顶板锚索在掘巷阶段的破坏特征，以邻近的9103 工作面运输顺槽为例，收集顶板锚索的破坏情况，为提出有效解决办法提供依据。根据9103 运输顺槽掘巷完成后现场调研结果，整个巷段多处出现顶板锚索破断的现象，以距工作面开切眼150 m 为例，顶板锚索破断点位俯视图如图2（a）。其中距切眼0～50 m 范围内，在“锚网索梁”支护的基础上，采用单体柱+工字钢进行补强支护。统计正常支护巷段100 m 巷段顶板锚索破断位置，整理得到结果如图2（b）。

图2 锚索破断情况

由图2 可知，顶板锚索破断数量在回风顺槽与切眼交叉处最为集中，说明该位置顶板悬空面积大，受力复杂，顶板易产生不规则变形，因此需要进一步补强支护。实体煤侧锚索及中部锚索破断数量显著大于窄煤柱一侧，实体煤帮侧锚索主要破断位置为托盘到自由段0～2 m 范围内（锚尾），顶板中部锚索破断位置主要为中部自由段。结合现场调研情况，顶板中部锚索断口处大多存在明显的缩颈现象，表明顶板中部锚索大多发生拉断破坏；实体煤一侧锚尾附近断裂的锚索，锚索索具与岩层接触面可见光滑的剪切痕迹，锚索破断形式为剪切破坏。综上可得，顶板锚索破坏形式为拉伸破坏和剪切破坏，破断锚索主要集中在巷道实体煤侧及中部。

3 高预应力锚索支护技术

9#煤层巷道顶板采用锚杆-锚索联合支护，直接顶较为破碎且厚度大于锚杆长度，锚杆起到提升直接顶整体性和自承能力的作用[3]，但是无法起到将顶板锚固到坚硬岩层的作用。锚杆将浅部破碎岩层锚固为一个整体，通过长锚索将其悬吊在坚硬的基本顶岩层中。锚杆未能直接锚固在坚硬岩层中，无法起到控制直接顶与基本顶间离层的作用，仅有锚索起到控制直接顶与基本顶间离层的作用。邻近工作面回采动压影响下，导致锚索载荷超出其额定载荷，引起锚索拉伸破断，顶板离层引发部分锚索剪切破坏，进一步加剧围岩的变形破坏。基于顶板锚索破坏机理，提出采用短锚索+长锚索联合支护技术控制顶板围岩，通过短锚索将直接顶锚固在基本顶岩层，通过长锚索调动深部岩层的稳定性，从而形成稳定的自稳、承载结构。

为验证采用短锚索-长锚索支护技术的合理性，采用FLAC3D软件进行模拟研究[4]，分析巷道围岩在不同支护方案下应力分布及变形情况。支护方案：方案一，顶板采用传统的短锚杆+长锚索支护，锚杆预紧力50 kN，锚索150 N；方案二，短锚索+长锚索支护，短锚索预紧力50 kN，长锚索150 kN；方案三，短锚索+长锚索支护，短锚索预紧力50 kN，长锚索150 kN。整理得到结果如图3、图4。

由图3 可以看出，锚杆、锚索支护形式下，在顶板岩层中形成高压应力场，长锚索端锚固在深部岩层。施加相同预紧力条件下，短锚索+长锚索支护相对于短锚杆+长锚索支护形成的高压应力场更大，说明有效控制范围更大，顶板整体性更强。通过对短锚索施加更大的预紧力，同样使高压应力场范围更大，且压应力值增大，说明通过提高短锚索预应力可以更好地控制顶板。由图4 可以看出，方案一、方案二条件下巷道顶板中部离层量最大，两侧离层量较小，顶板中部离层明显且岩层间存在相互错动；方案三条件下，顶板浅部围岩和深部围岩相对移动量稳定在3～4 mm，离层量很小且均匀，杜绝了顶板中部的过度离层及岩层间的相互错动。综上可知，通过短锚索+长锚索联合支护预计能够有效控制顶板的离层和大变形。

图3 顶板应力分布

图4 顶板岩层离层量

4 工程应用及效果分析

4.1 支护方案

根据上述研究结论对9105 运输顺槽支护方案进行优化。顶板采用短锚索+长锚索联合支护，短锚索直径21.8 mm，长3.5 m，间排距0.8 m，预紧力150 kN，长锚索直径21.8 mm，长度6.25 m，间排距1.2 m×0.8 m，预紧力150 kN，顶板锚索均采用三支树脂药卷进行端锚，帮锚杆直径20 mm，长度2.6 m，间排距0.8 m，预紧力50 kN，如图5。

图5 9105 运输顺槽支护方案（mm）

4.2 应用效果分析

为检验短锚索+长锚索支护方案的应用效果，9105 运输顺槽掘进期间监测顶板锚索载荷及顶板离层量，得到结果如图6。与掘进头距离由0 m 增大至60 m 期间，短锚索、长锚索载荷均增大，且最终保持在200～250 kN之间。随着掘进工作面的推进，锚索载荷有一定量的增大，但均在其承载能力范围内，工作状况良好。与掘进头距离由0 m 增大至60 m 期间，顶板岩层浅部、深部基点离层量均增大，之后稳定不变。1.5 m 基点相对于2.8 m 基底离层量仅1 mm，说明短锚索支护效果良好；1.5 m 基底与5 m 基点相对位移量仅9 mm，说明长锚索支护效果良好。综上可得，9105 运输顺槽掘巷期间，顶板锚索工作状态良好，顶板未出现大变形和过度离层，且未发生锚索破断失效现象，短锚索替代锚杆取得了较好的应用效果。

图6 掘巷阶段顶板锚索载荷及离层量变化

5 结语

（1）新元煤矿9103 运输顺槽在掘巷阶段，顶板锚索破断集中在中部和实体煤侧，破断位置主要集中在锚尾和中部自由段，破断形式为拉伸破断和剪切破断。

（2）提出采用短锚索替代锚杆，并提高短锚索的预应力来控制顶板离层和大变形。数值模拟结果表明：该方法可增大顶板有效支护范围，并减小顶板的下沉量和离层量。

（3）工程应用实践表明：短锚索+长锚索联合支护技术可有效控制顶板岩层的大变形和离层，消除了长锚索破断现象，取得了良好的应用效果。