开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司 河北省 063000
摘要：近年来厚煤层综采放顶煤技术得到长足发展，并已取得显著的技术经济效益。但在此项技术推广应用过程中，经常遇到的难题是综放面运输巷、回风巷的维护问题。
关键词：综采放顶煤；全煤巷道；锚杆支护
厚煤层采用综采放顶煤技术时，在煤层底板开掘工作面运输巷、回风巷，巷道顶板和两帮全为煤体，称之为全煤巷道。这类巷道围岩为松散、破碎的煤体，一般情况下巷道维护极其困难。采用传统的装配式金属支架支护，往往会产生严重的支架变形甚至破坏，需经常进行维修。有时采用加密u型钢支护，仍不能有效地控制围岩变形，支架损坏率高，还经常造成顶板煤体冒落，冒落空洞着火等事故。同时在工作面前方还需要拆棚、套修等工作，费料费力，工序复杂而危险。
锚杆支护作为一种主动支护形式，通过锚杆的轴向作用力，将围岩中一定范围岩体的应力状态由单向（或双向）受压转变为三向受压，从而提高其环向抗压强度，使压缩带既可承受其自身重量，又可承受一定的外部载荷，使其有效地控制围岩变形。便于实现综放面高产高效。但全煤巷道采用锚杆支护技术难度大，近年来我国煤巷锚杆支护得到迅速发展，已形成了适合于我国煤矿特点的煤巷锚杆支护成套技术。
1全煤巷道围岩特性
近几年来，在回采巷道矿压与支护方面提出最大水平主应力理论。即围岩层状特征比较突出的回采巷道开挖后引起应力重新分布时，垂直应力向两帮转移，水平应力向顶底板转移，从而引起集中应力，垂直应力的影响主要显现于两帮，导致两帮煤体的破坏；而水平应力的影响则主要显现于顶、底板岩层，引起顶板离层或底板鼓起.巷道开挖，引起应力集中，使煤层受到附加集中应力的作用，由于煤层松散破碎，抵抗水平应力的能力极低，顶煤中会产生大范围的塑性区。巷道开挖后巷道顶煤基本卸载，形成近似矩形的卸载松动区，顶煤破坏区达到岩石顶板，但并未产生松动破坏，煤体仍保持较高的残余强度，其位移量也较小，厚煤层中巷道开挖后，使煤层抵抗水平应力的截面大为减少，巷道周围煤体抵抗水平应力的能力随之明显降低，煤体极易沿水平层理面向巷道空间挤入，致使巷道顶板的煤体受水平应力作用而产生严重破坏，甚至导致顶板煤层冒落。
2全煤巷道锚杆支护机理分析
传统的锚杆支护理论有：悬吊理论、组合梁理论、组合拱理论等。但是，这些理论都存在一定的片面性和局限性，不能适用于各种巷道条件。现如今主要是将“三高一低”的锚杆支护理念，即高强度、高刚度、高可靠性和低支护密度。锚杆支护的机理主要有以下几点：（1）锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏的出现，最大限度地保持锚固区围岩的完整性，减小锚固区围岩强度的降低，使围岩成为承载的主体。（2）锚杆支护系统的刚度十分重要，锚杆预应力及预应力的扩散起着决定性作用。根据巷道条件确定合理的预应力，并使预应力实现有效扩散是支护设计的关键。单根锚杆预应力的作用范围是很有限的，必须通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力扩散到离锚杆更远的围岩中。特别是对于巷道表面，即使施加很小的支护力。（3）锚杆支护系统存在临界支护刚度，即使锚固区不产生明显离层和拉应力区所需要支护系统提供的刚度。支护系统刚度小于临界支护刚度，围岩将长期处于变形与不稳定状态，因此，存在锚杆临界预应力值。（4）锚索的作用主要有两方面：其一是将锚杆支护形成的预应力承载结构与深部围岩相连，提高预应力承载结构的稳定性；其二是锚索施加较大的预紧力，给围岩提供压应力，与锚杆形成的压应力区组合成骨架网状结构。（5）提高锚杆与锚索的预应力并使其有效扩散是改善巷道支护效果的最有效途径。对于复杂困难巷道，应采用高预应力、强力锚杆组合支护，应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支护和巷道维修。
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3例如某矿综放面回风巷组合锚杆支护
3.1 试验巷道地质条件
开滦能源化工股份有限公司范各庄矿3125N工作面走向长度930 m，倾斜长度185m，埋深420～480 m。煤层厚5.65～6.04 m，其中部有一层厚0.3 m的夹矸，上分层煤质松软，下分层煤质较硬，呈块状、光亮型煤，煤体普氏系数f=1～1.5。煤层上方为0.4～1.0 m厚的深灰色粉砂岩伪顶，层理发育；直接顶为灰色粉砂岩，泥质胶结，水平层理，含植物化石，厚1.3～5.7 m；其上为灰白色粉砂岩老顶，厚1.5 m，岩石较坚硬。再上为1#煤层，厚0.8～1.23 m，顶板为深灰色粉砂岩，厚5.85～18.97 m，泥质胶结，波状层理，含植物根部化石。
3.2 试验方案
根据试验巷道顶板岩层条件，确定采用组合锚杆支护，即长距树脂锚固的2.4m长直径22㎜高强度螺纹钢锚杆+金属网+U型钢带+长7.5m直径22㎜树脂锚固预应力锚索。
3.3 试验结果
3125N全煤巷道组合锚杆支护试验取得了成功，锚杆支护效果显著，顶、帮煤体的整体性和稳定性较好，顶煤平均下沉量为82.5 mm，两帮相对移近量平均179.5 mm，巷道断面平均收缩率仅为12.8%。采用组合锚杆支护全煤巷道，有效地控制了巷道围岩的变形与破坏，一般情况下煤巷围岩变形量不大，充分发挥了组合锚杆加固煤岩体的有效作用，改善了工人的劳动作业环境，为综放面实现稳产、高产创造了有利条件。
4 巷道围岩表面位移
4.1巷道掘进初期，顶板下沉变化显著，说明顶煤破碎程度变化大，导致顶煤下沉量和下沉速度变化也大。
4.2两帮的位移速度及位移量与煤体松散程度密切相关，但相对于顶板下沉而言，两帮位移相对较小，试验巷道经受采动影响后仍在100 mm左右，这说明锚杆对煤帮起到了有效的支护作用。
4.3全煤巷道围岩变形受采动影响显著。观测结果表明，回采面距观测站19 m左右时，巷道顶、帮位移速度加快，顶板下沉速度最高21 mm/d，两帮移近速度高达18.6 mm/d。
5 巷道围岩深部位移
5.1顶板离层变化随顶煤完整性而变化。顶煤较完整时，初期离层不明显，但到中期离层加剧，说明顶煤破坏后引起离层（或扩容）；顶煤比较破碎时，初期离层量大，离层速度快，但能很快地进入稳定状态。
5.2浅部离层大于深部离层，说明顶煤较软，变形范围大。
5.3锚杆长度范围内的顶煤没有产生大的离层。
6 结语
锚杆支护技术具有支架和加固作用，同时可以加快施工速度、降低成本，因而在煤巷掘进中得到广泛应用。在实际工程中，应认真做好地质力学评估、支护形式和参数的选择、施工工艺过程、锚杆和锚索安装等工作，同时应根据实际情况提出加快掘进的对策。
参考文献
[1] 宋宏伟.井巷工程[M].煤炭工业出版社，2007.
[2] 徐树.井巷掘进[M].煤炭工业出版社，1992.
论文作者:杨家旺
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/27
标签：巷道论文; 围岩论文; 锚杆论文; 应力论文; 顶板论文; 煤层论文; 预应力论文; 《建筑学研究前沿》2018年第32期论文;