深井复合顶板锚网索支护技术研究

王 聪

（徐矿集团生产调度指挥中心， 江苏 徐州 221000）

0 引言

当前我国浅部煤炭资源逐渐减少，随着开采延伸，逐步转为深部开采。深部开采难度大、成本高、开采技术复杂，巷道围岩支护成本和技术难度加大，深部开采巷道复合顶板所占比例也增多，复合顶板是深部开采巷道布置与支护的技术难题，众多学者对深部巷道支护技术进行了研究[1-3]。

以某矿30802 运输顺槽为例，巷道埋深650～730 m，而且顶板为复合顶板，破碎严重，控顶难度大，针对巷道围岩现状，通过现场实测和数值模拟相结合的方式，探求深部复合顶板巷道支护技术，对提高深井巷道支护具有重要意义。

1 30802 工作面概况

某矿3 号煤层30802 工作面为三采区首采工作面，所处水平为+835 m，30802 工作面标高为+857～+895 m。30802 运输顺槽长度为649 m，矩形断面，巷道净宽4.5 m、净高3.2 m，净断面14.4 m2。30802 回采工作面东侧为设计30804 工作面，西侧和南侧为三采区回风巷与三采区机轨巷，北侧为原天利煤矿旧巷道。30802 工作面地面对应位置为废弃的村庄和耕地，地面标高约为+1 500 m。运输顺槽长度649 m，可采长度327 m。

30802 回采工作面开采煤层为3 号煤层，赋存于山西组中下部地层中，煤层走向180°～185°，倾向270°～275°，倾角0～8°。煤层平均厚度为5.62 m，煤层厚度稳定，煤层分两个自然分层，含一层夹矸，为较简单结构煤层，坚固性系数为1.9～2.0。

煤层直接顶为灰色、粉砂质、碳质泥岩，岩层厚度为1.82 m；基本顶为浅灰色至灰色细粒砂岩，致密、坚硬，成分以石英为主，岩层厚度为8.66 m；煤层直接底为砂质泥岩，含植物化石，岩层厚度为3.78 m；基本底为浅灰色细砂岩，致密、坚硬，成分以石英为主，厚度为4.61 m。由于直接顶为泥岩，其吸水容易发生软化，使得顶板的整体稳定性降低。随工作面不断向前推进，巷道极易发生冒顶、片帮等围岩破坏现象，应加强巷道顶板的支护，避免矿压灾害的发生。

2 复合顶板巷道破坏机理及控制对策

2.1 破坏机理

深井复合顶板巷道围岩的破坏原因主要是由于巷道顶板各个岩层的材料、厚度存在较大的差异，各个岩层具有不同的挠度，在顶板的变形过程中极易产生离层，同时不同岩层具有不同的强度，顶板会在强度较小的软弱层产生裂隙并逐渐发生分层、多次的破坏。控制复合顶板的稳定性，需要通过支护手段将复合顶板固定为一个整体，避免软弱层发生破坏。

2.2 控制对策

30802 运顺巷道在开挖初期，围岩整体状况较好，支护形式采用锚岩支护，使用锚杆进行加固，巷道支护体的承载能力及状况较好，巷道围岩变形在有效可控范围内，自身稳定性较好。随着矿井的开采作业延伸，巷道围岩变形逐渐增大，锚岩支护体的承载能力下降，稳定性变差，应力逐渐移向深部开采区，围岩变形趋于稳定。30802 运输顺槽，在原有支护体系失稳前，采用六边形金属网支撑非锚固区破碎岩体，防止岩体垮落发生。六边形金属网具有柔韧性，可以适应围岩破坏变形，金属网钢性为围岩支撑提供反作用力，可以改善巷道围岩应力环境。锚索起到锚岩支护体及围岩稳定作用。经过锚杆和锚索的支护形式，互相作用发挥各自优势，优化了锚杆支护整体性能，达到30802 运输顺槽控制围岩变形的目的。非锚定岩层间转移荷载，锚杆由单点支撑转换为多个锚杆多点支撑形成支护体系，降低了局部支护强度不足而造成的巷道整体不稳。工程实践表明，在稳定性较差的巷道锚杆支护中，配合使用金属网，在动压巷道中起着重要作用[4-5]。

3 支护参数理论计算

3.1 锚杆直径的确定

锚杆直径计算公式如下：

式中：d 为锚杆直径，mm；Q 为锚杆锚固力，取150 kN；σt为锚杆抗拉强度，取540 MPa。

将相关参数代入式（1）得：d≈18.8 mm。

为达到最佳的支护效果和节约成本，经综合考虑，两帮采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆规格为Φ20 mm，顶板采用的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为Φ22 mm，满足了高锚固力及节约材料和作业便捷的目的。

3.2 锚杆长度的确定

锚杆长度计算公式如下：

式中：L 为锚杆长度，m；K 为安全系数，取2.8；L1为锚杆外露长度，一般取0.1 m；L2为锚杆插入稳定岩层的长度，取0.6 m；H 为自然平衡拱的高度，取0.6 m。

将相关参数代入式（2）得：L=2.38 m，锚杆长度取值为2.4 m。

结合考虑30802 运输顺槽地质状况及支护参数，确定两帮锚杆间排距及顶板锚杆间排距为900 mm、900 mm，800 mm、900 mm，满足巷道使用需求。

3.3 锚索支护参数的确定

根据30802 回采工作面煤层顶底板岩性等地质条件，综合考虑锚索强度、安全性、成本等方面，确定锚索长度为8.3 m、直径为21.6 mm。结合锚索参数和实际情况，两帮锚索间排距设计为1 600 mm、1 800 mm，顶板锚索间排距设计为1 200 mm、1 800 mm。

3.4 支护方案

30802 运输顺槽顶板锚杆，采用规格为Φ22 mm×2 400 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，支护排间距为900 mm、800 mm。采用Φ21.6 mm×8 300 mm 的高强度低预应力锚索，进行补强锚索支护，间排距为1 200 mm、1 800 mm。两帮采用规格为Φ20 mm×2 400 mm 的螺纹钢锚杆支护，间排距为900 mm、900 mm。

两帮及顶板铺设规格为2 700 mm×1 100 mm 的六边形金属网，在铺设好后进行联网，金属网铺网时网与网及时搭接，两张金属网搭接宽度为50 mm。锚索采用300 mm×300 mm×16 mm 的鼓形托盘，锚杆采用150 mm×150 mm×10 mm 的鼓形托盘。

3.5 支护参数数值模拟验证

根据30802 运输顺槽的实际地质情况，采用FLAC3D 数值模拟软件建立计算模型，模型尺寸为长×宽×高=50 m×40 m×40 m，共划分为53 176 个单元，采用莫尔- 库伦屈服准则建立模型，上表面设置为自由约束，其他各向为固定约束，煤层的埋深为上覆岩层的重力。

30802 运顺巷道采用“锚杆索+钢筋网”联合支护后，竖向应力分布云图、巷道垂向位移分布云图，如图1 所示。

图1 巷道围岩竖向位移、应力分布云图

由图1 可看出，采用“锚杆索+钢筋网”联合支护技术后，30802 运输顺槽顶板最大下沉量大约为28.6 mm，最大底鼓量约为8.4 mm，围岩变形量相对较小；同时围岩竖向应力值约为6.2 MPa，应力分别均匀，无应力集中现象。巷道围岩的安全稳定性较高，说明采用优化支护方案后，可对30802 运输顺槽围岩变形进行有效控制，也进一步说明了支护参数的科学合理性。

4 工业性试验

将“锚杆索+ 钢筋网”联合支护技术应用于30802 运输顺槽复合顶板段，并在巷道掘进施工过程中采用“十字布点法”监测巷道顶底板及两帮的围岩变形情况，巷道变形曲线如图2 所示。同时采用两点位移计以及多点位移计来进行巷道顶板离层量的测量，在运输顺槽中位移计每间隔50 m 布设1 个，每个离层仪布设2 个点，根据上覆岩层的地质条件，位移计的深度分别设计为2.5 m、6.5 m，顶板离层变化曲线如图3 所示。

图2 巷道掘进期间围岩变形曲线

图3 顶板离层变化曲线

由图2 可知，在巷道掘进的前15 d，巷道顶底板及两帮的围岩变形量不大；在15～36 d 范围内，巷道底板及两帮的围岩变形速率较大；在90 d 后，围岩变形量趋于稳定，顶底板最大变形量分别为22 mm、74 mm，高、低帮最大变形量分别为55 mm、30 mm，运输顺槽整体断面的收缩率约为4.8%，围岩支护效果良好。

由图3 可以看出，顶板离层量与时间存在着密切关系，离层量变化具有阶梯型，在巷道开始进行掘进时，锚杆可以发挥其支护作用，直接顶产生较小的离层。随后，随掘进时间的发展，顶板浅部离层量开始增大，在15 d 以后，浅部离层量趋于稳定值5.1 mm；顶板深部离层量在巷道开始进行掘进时较小，之后离层量发生较大的跳跃，在63 d 以后，深部离层量趋于稳定值20.3 mm，巷道顶板整体较为稳定。

5 结论

1）通过采用巷道围岩锚杆索支护计算公式确定了30802 运顺支护参数，数值计算验证了“锚杆索+钢筋网”联合支护技术参数的合理有效性。

2）工业试验监测结果表明，采用“锚杆索+钢筋网”联合支护技术后，运输顺槽整体断面的收缩率约为4.8%，且30802 运顺巷道围岩变形均处于允许范围内，支护技术方案能合理有效控制围岩变形。