淮北矿业股份有限公司童亭煤矿 安徽濉溪 235137
摘要：针对厚层泥岩顶板掘进和回采过程中围岩控制难题，分析了厚层泥岩顶板锚杆索协调支护机制，推导了最大协调变形状态下锚杆索支护体协调变形方程；分析了桁架锚索支护厚层泥岩顶板主动支护原理，给出了桁架锚索结构主动支护时施加于桁架锚索结构锚固端的预紧力 的临界条件。现场应用表明，桁架锚索主动协调变形控制技术较好解决了该类条件下围岩变形控制问题。
关键词：厚层泥岩顶板；锚杆索协调支护；桁架锚索；支护机理
Key words：thick mudstone roof；bolt-cable coordinated support；truss cable；support mechanism
在采矿工程锚杆支护中，为确保巷道满足安全生产需求，根据顶板岩层地质条件，可使用预应力锚索进行加强支护，由于锚索锚固深度大，当巷道顶板存在稳定岩层时, 锚杆(索) 支护体系形成的锚固承载结构体能稳定地悬吊在顶板岩层中，可施加预应力、主动支护围岩，是支护技术中一种可靠的手段［1-4］。然而，对于厚层泥岩顶板，常规锚杆索支护效果不佳，常导致顶板离层量过大、锚索破断等事故发生，严重影响煤矿安全生产。为此，本文针对童亭煤矿陈楼块段中组煤首采面厚层泥岩顶板，从锚杆索协调变形力学机制和桁架锚索支护原理等方面进行分析，为厚层泥岩顶板条件下煤巷支护提供技术支持。
1 工程概况
8172工作面为童亭煤矿陈楼块段中组煤87采区首采面。范围及四邻关系：南(浅部)至7、8煤层露头，北以大侯家断层、赵口断层为界与89采区相邻，东以CF8断层与CF8-1断层交线（即以-400m等高线）为界与811采区相邻，西至CF7-1断层为界与85采区相邻。倾向长1400～2300m，南北宽820～1160m，面积约2.56km2。
根据地面钻孔资料分析，8172工作面81煤层结构简单，局部夹一层碳质泥岩,顶板以层状泥岩为主，砂泥岩互层，粉砂岩次之，底板以泥岩、粉砂岩为主，少量中砂岩、细砂岩，为可采不稳定煤层。煤厚2.01～7.17m，平均4m，黑色，油脂光泽～玻璃光泽，以块状、粉沫状为主，少鳞片状，质地较软，比重轻，常具线理状、条带状结构，内生裂隙发育。工作面煤层倾角为7-12°，平均约10°。
老 顶：细砂岩，厚1.9~6.01m，平均3.96m；灰色，细粒，波状层理，层面有碳质，含白云母碎片及较多鲕子。
直接顶：泥岩，厚1.53~6.21m，平均3,87m；深灰色，块状,性脆，具滑面，含少量植物化石碎片，部分含粉砂质。
直接底：泥岩，厚2.61~2.64m，平均2.63m；深灰色，块状,性脆，锯齿状断口，含较多植物根部化石。
老 底：粉砂岩，厚5.64~5.86m，平均5.75m；灰色，细粒，块状，水平层理，部分含泥质，有方解石脉。
2 厚层泥岩顶板锚杆索协调支护力学机制
采用高强预应力锚杆-锚索协调变形支护技术控制泥岩巷道围岩变形，用以释放围岩压力，达到锚杆索协调变形与共同承载。
锚杆支护区域形成锚固体，强化破碎煤岩体整体刚度，其锚固体最大挠度[5]：
由上述公式可知，在给定条件下(锚固承载体参数、巷道跨度及顶板稳定岩层参数等)，围岩膨胀变形及顶板载荷集度决定了巷道围岩的稳定程度。
3 桁架锚索主动支护原理及受力分析
3.1 桁架主动支护系统的原理
传统的锚杆索支护不能解决厚层软弱泥岩顶板条件无稳定岩层可供锚杆或锚索悬吊的关键难题[6]。而桁架锚索主动支护系统则是以新型专用桁架连接器为核心部件的高可靠性桁架锚索复合主动支护结构，该支护系统尤其适用于软弱顶板煤巷、大断面巷道、悬顶面积大的交叉点等复杂条件下的巷道围岩控制。
桁架锚索能在巷道顶板的水平和垂直方向同时提供挤压应力，从而使锚固区内的岩体处于垂直挤压和水平挤压状态［7-9］；即桁架锚索使顶板更大范围煤岩体处于三向压缩应力状态，提高其力学性能和承载能力，形成强大的闭锁结构；而锚索梁所提供的水平应力及桁架锚索布置角度的设计是巷道及其轮廓线以外的顶板下沉时桁架锚索发挥作用的重要原因［10-11］。
3.2 桁架主动支护系统受力分析研究
为了分析桁架锚索结构的力学作用，确定桁架锚索结构发挥最佳支护性能的临界条件；建立如图1所示的桁架锚索主动支护系统结构简化力学模型。假设桁架锚索只受铅垂方向的作用力，单位长度巷道锚索倾斜部分的受力为 ，单位长度巷道锚索底部锚索跨度承受的外力为 ，于是桁架锚索结构控制范围的总受力Q 可以表达为[12]：
图2 风巷支护参数
风巷设计为斜矩形断面，锚带网索支护，净宽4.5m、净中高3m。顶板挂6孔4.4m长M4钢带，打6根GM22/2600螺纹锚杆配合8#铁丝编制的菱形金属网支护，锚杆穿过钢带垂直锚入巷道顶板，锚杆间距800mm、排距800mm；低帮挂4孔2.6m长M4钢带，打4根GM22/2600螺纹锚杆配10#铁丝编制的菱形金属网支护，高帮挂5孔3.4m长M4钢带，打5根GM22/2600螺纹锚杆配10#铁丝编制的菱形金属网支护，
锚杆间800mm、排距800mm。锚索采用17.8-L6300mm预应力锚索，按“202”布置，锚索居中布置，锚索间距1600mm，排距1600mm，锚索桁架梁长分别为1.8m。每根锚杆使用2卷Z2950树脂锚固剂，锚杆锚固长度≮1.2m，每根锚索使用1卷K2950，2卷Z2950树脂锚固剂。钢带调斜≯100mm，两帮钢带顶端距顶板≯100mm，顶板钢带两端距帮≯300mm，肩窝空顶大于300mm时，必须铺金属网、挂钢带，补打锚杆支护。金属网伸出钢带头≮100mm，金属网连接使用同规格铁丝，连接间距≯200mm，压茬≮100mm。
4.2 测点布置
8172风巷30-50米布置顶板离层观测仪1组个(深部基点固定顶板以上7m处；浅部基点固定顶板以上2m处)，顶底板及两帮变形1组。掘进施工阶段，迎头向后50米范围内每天观测1次，50-300米范围内每周观测一次，其它地点每2周观测1次，但对断层、破碎带等特殊地点应根据实际情况增加观测频率；回采期间每周进行观测。
4.3 支护效果分析
根据监测数据可知，巷道开掘初期围岩表面位移收敛速度较大，顶板在35 d 后趋于稳定，顶板2m深测点离层量14.2mm，6m深测点离层量8.6mm；顶底板累计移进量达89mm，两帮在30d 后即趋于稳定，两帮移近量达29mm，总体变形量均较小。回采期间，受采动影响，顶板2m深测点离层量33mm，6m深测点离层量15mm；顶底板累计移进量达194mm，两帮移近量达99mm，巷道围岩收敛量满足使用要求。在整个使用期间，未发生诸如锚杆、锚索破断、钢带撕裂与压穿等支护系统损失现象。这表明采用桁架和锚索+锚杆索协调支护系统控制厚层泥岩顶板煤巷取得了良好的效果。
（b）围岩变形
图3 风巷围岩变形
5 结语
（1）分析了厚层泥岩顶板锚杆索协调支护机制，推导了最大协调变形状态下锚杆索支护体协调变形方程。
（2）分析了桁架锚索支护厚层泥岩顶板主动支护原理，给出了桁架锚索结构发挥主动有效控制时，施加于桁架锚索结构锚固端的预紧力 的临界条件。
（3）针对童亭矿陈楼块段首采8172工作面厚层泥岩顶板条件，给出了风巷具体支护技术参数，经现场实施及围岩变形监测表明，桁架锚索主动协调控制厚层泥岩顶板效果良好。
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作者：李刚（1980.10——），男，安徽淮北，本科，工程师，主要从事煤矿生产技术管理工作
论文作者:李刚
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/3
标签：顶板论文; 桁架论文; 泥岩论文; 巷道论文; 围岩论文; 锚杆论文; 锚固论文; 《防护工程》2019年第4期论文;