摘要：针对综放大断面巷道顶板松软破碎易诱发岩层离层膨胀，进而导致锚索拉断和诱发冒顶事故的现象，以20322综放工作面区段运输平巷顶板掘进期间大面积垮冒为研究背景，采用理论分析、数值模拟等方法，对巷道冒顶前矿压现象分析。研究结果表明：顶板结构失稳的主要原因是地质体破碎和锚索参数不合理，并提出了通过调整锚索支护参数增强顶支护结构的完整性和抵抗强度来控制松软厚煤顶的支护理念，在工业性实践中取得了良好的效果。
关键词：大跨度；厚煤顶；锚索拉断；顶板失稳
1工程概况
20322综放工作面标高+480—+584m，地面标高+890—+1053m，工作面煤层倾角－3°～+5°。工作面主采2号煤层赋存稳定，钻孔揭露煤层厚度6．0～6．4m，平均厚度6．2m，煤层结构较简单，一般含1～2层炭质泥岩、泥岩夹矸，煤体普氏系数f为1～2，在受构造影响地段煤层厚度变化较大。煤层顶底板特性：基本顶为细粒砂岩，浅灰色，石英为主，长石次之，钙质胶结，半坚硬，厚度2．38m；直接顶为粉砂岩，黑灰色，夹细砂岩薄层及条带，松软，厚度11．91m；直接底为粉砂岩，黑灰色，夹细砂岩薄层及条带，松软，厚度1．95m；基本底为粉砂岩，灰黑色，波状层理，黏土质胶结，层面含煤屑，厚度2．42m。20322运输平巷宽5．6m，高3．55m，采用锚杆索联合支护。顶板锚杆采用22mm×2200mm型左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，锚杆间排距1000mm×900mm。采用14mm钢筋梁将其衔接，每根锚杆使用1支CK23/60树脂锚固剂。锚索采用17．8mm×6250mm钢绞线，间排距为2000mm×1800mm，每根锚索使用2支CK23/60树脂锚固剂。两帮部采用20mm×2000mm型左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，间排距1000mm×900mm，每根锚杆使用1支CK23/60树脂锚固剂。锚杆施加预紧力矩为200N•m，锚索施加预紧力为140kN。
2大断面巷道顶板控制技术
2.1预应力锚索参数优化
工程上锚索拉断可由以下2方面原因造成：一是承载能力Fms达到上限；二是延伸率εms或延伸量ΔL达到上限。现有煤巷锚索支护设计时普遍采用悬吊理论进行设计，仅考虑了锚索承载能力，忽略了延伸率或延伸量。实际工程中松软围岩条件下锚索断裂通常因其延伸量达到极限长度拉断所致。锚索延伸量不但与自身性质有关，还与预应力大小和锚索自由段长短密切相关。根据GB/T14370—2000预应力筋用锚具、夹具和连接器规定1×7结构的1860级钢绞线预应力锚索实际平均极限拉力Fpm=260．7kN，断裂时延伸率εpm=2．0%，考虑锚具组装件静载试验测定的锚具效率系数ηa=0．95和工程条件影响系数ηs=0．9，可得出预应力锚索在工程使用中的断裂时承载能力极限值Fms=ηaηsFpm=221kN，延伸率εms=ηsεpm=1．8%。在巷道支护中锚索实际延伸量包括2个部分：预应力施加造成的延伸量和围岩变形造成的延伸量。因此预应力锚索安装后可供工程利用的延伸量部分与锚索安装时的预紧力大小有关，对于1×7结构的1860级钢绞线预应力锚索，其可利用的延伸率ε1和延伸量ΔL为ε1=（1．8－Fy/A）（1）ΔL=（1．8－Fy/A）L（2）式中：Fy为安装时锚索预紧力，kN；A为钢绞线刚度系数，取值221；L为锚索自由段长度，m。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆20322运输平巷支护背景下锚索预紧力为140kN，锚索自由段长度为4．75m，结合式（4）和式（5）可求出实际延伸率为1．17%，可用于围岩变形的延伸量为55mm。不同锚索自由段长度下。随着锚索安装预应力增大，锚索延伸量减小，且锚索自由段长度越长减小的幅度越大。同时，由于锚索预应力有助于改善围岩应力状态，过小的预应力易造成巷道开挖后围岩破碎。因此，对20322运输平巷进行锚索安装时，预应力应达到60～100kN为宜。此外，工程实践中钢绞线预应力锚索受力条件没有实验室那样理想，锚固段的不均匀，锚索的松弛性和锁具处受力不与钻孔垂直等因素均能造成钢绞线受力不均，钢绞线先后达到承载极限而拉断。因而锚索实际拉断强度远小于实验室测定的极限值，在巷道预应力锚索参数设计时应考虑在内。
2.2预应力锚杆索支护结构优化
通过FLAC3D数值模拟软件模拟巷道顶板支护结构变化对顶板围岩应力场的影响，判断其稳定性，优化支护结构和支护参数。巷道锚杆索支护中施加预应力相对于地应力相差2～3个数量级，因此，为使锚杆索支护体系对巷道顶板的支护效果能够直观的体现，在此不施加地应力。在锚杆支护结构不变的情况下，通过改变锚索支护结构来分析对顶板应力场的影响，采用1根锚索支护时，锚索缺失的一端仅在锚杆支护下围岩浅层支护应力较弱，在地应力的作用下会率先发生破坏，导致围岩应力状态恶化，锚索受力增大，极易被拉断造成顶板大面积冒顶的发生；采用2根锚索支护时，顶板中预应力场基本能形成完整结构，可有效抵抗静压下围岩体扩容，但在后续工作面剧烈采动影响下强度略显欠缺；采用3～4根锚索支护时能够形成完整的预应力压缩场，使围岩始终处在三向应力状态，强度较大，结构完整，可有效抵抗工程应力扰动和顶板的离层膨胀影响。因此，在考虑经济合理性的基础上建议顶锚索每排布置3根。
3工程实践针
对20322运输平巷顶板破碎易受构造影响被拉断造成冒顶事故难题，巷道后续掘进期间以及修复段顶板改进后的支护方案如图8所示。对顶板锚索施加的预应力调整为100kN，来减少锚索拉断的概率，保证顶板锚索支护结构体的完整性。顶板锚索加固方案为：选用17．8mm×8250mm（1×7）单体锚索，每个锚索使用1卷CK2335和2卷Z2360树脂药卷，锚索间排距为1600mm×1800mm，钻孔深度8m，煤帮侧锚索距巷帮800mm。靠近两帮的锚索钻孔与顶板垂线的夹角为实施多锚索对称支护后，选取顶板较为破碎的6个地点布置测点（KD1、KD2、KD3、KD4、KD5和KD6）进行矿压观测。现场矿压实测结果表明该支护形式下巷道围岩顶底板变形量并不大，最大变形量170mm，顶板控制效果较好，巷道变形总体趋势为两帮移近量大于顶底板。
4结论
大跨度巷道厚煤层顶板大面积垮冒的主要原因是部分锚索破断造成的顶板支护结构失稳，并在断层构造的影响下导致顶板冒顶事故的发生。钢绞线预应力锚索被拉断主要取决于自由段延伸率，与锚索施加的预应力关系密切，预应力过大容易造成锚索拉断，过小不能有效控制顶板离层。通过对顶板不同锚索支护结构下预应力场的数值模拟分析可知，顶板2根锚索支护时强度较弱，在顶板中形成的支护结构抵抗剧烈采动扰动时安全系数不高，因此，建议增加顶锚索密度。针对锚索拉断和冒顶原因调整的支护对策在现场得到了很好的应用，矿压观测结果表明掘进阶段顶板没再出现大的变形和破坏，支护效果良好。
参考文献：
［1］侯朝炯，李学华．综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理［J］．煤炭学报，2001，26（1）：1－7．
［2］何富连，杨增强，魏臻．采动影响下碎裂煤巷注浆加固优化研究与应用［J］．煤矿开采，2017，22（1）：50－54．
论文作者:李鹏飞
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/13
标签：顶板论文; 预应力论文; 围岩论文; 巷道论文; 拉断论文; 结构论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第20期论文;