摘 要：在近距离煤层强烈开采动压下，巷道顶板由于受开采动压影响，煤层顶板出项大量裂隙，这些裂隙把顶板切割成许多松散块体，形成破碎顶板。小峪煤矿南Ⅱ盘区接替紧张，3#煤层4801工作面与2#层3801工作面上下对应布置，在掘进过程中，由于受开采动压、围岩压力的作用影响，煤层顶板出现大量裂隙，这些裂隙把顶板切割成许多松散块体，形成破碎顶板破碎岩块相互挤压形成压力拱。压力拱下方的岩石，所受的水平挤压力很小，易发生垮冒事故。为有效控制围岩变形和促进矿井安全生产，提出了利用桁架锚索控制破碎顶板的方法，通过同煤集团小峪煤矿现场试验，取得了很好的支护效果，这为复杂地质条件、开采动压下近距离煤层巷道支护应用提供了参考。
关键词：桁架锚索 开采动压 近距离煤层
由于应力条件、地质构造及开采动压影响，煤层顶板出现了大量裂隙，这些裂隙把顶板岩块切割成许多小块体。由于顶板的完整性遭到破坏，普通单体锚索支护已经不能适应破碎顶板的支护要求。破碎顶板的工程地质有3方面的特点[1]：①除层面发育外，还发育有多组结构面，结构面间贯通性好，将岩体切割破碎；②此类顶板整体强度低，开挖后顶板自稳能力差，下沉量大，易出现冒顶；③该类顶板出现于构造运动强烈并产生严重变形或破裂的岩石中，巷道沿大落差断层布置时常出现此类顶板，这是断层附近顶板冒落的原因之一。
压力拱是岩体为抵抗不均匀变形而进行自身调节的一种现象[2]。如果把围岩作为一种结构来看，处于压力拱中的岩石承担着自身和其上方岩体的荷重，这是确保其上方岩体不会塌落的一个具有拱的力学特性的结构。
1 试验巷道地质条件
小峪煤矿南Ⅱ盘区接替紧张，3#煤层4801工作面与2#层3801工作面上下对应布置，为了缓减接替紧张的局面，3#煤层4801工作面运输巷道4201巷只能在上覆2#煤层3801综采面开采过程中掘进，2#煤层与3#煤层层间距只有2.0～3.5m，属极近距离煤层，预计回采动压对巷道掘进维护有很大影响。如(图1)所示，3#层直接顶为深灰色粉砂岩，厚2.0～3.5m，裂隙发育。底板为深灰色泥质砂岩，厚度5m。4801工作面设计走向长400m，倾向长150m。4201巷毛断面宽×高=3000×3000mm。当3#层4201巷180 m时，距2#层3801工作面为30 m，4201顶板来压明显，两帮煤壁片帮0.2～0.4 m；当3#层4201巷掘到196 m时，与2#层3801工作面煤壁对齐，伴随采动影响，顶板来压逐渐强烈，开始发生断裂，产生裂隙，顶板较难维护；当3#层4201巷掘到218m时，超出2#层3801工作面煤壁30m，由于开采动压影响，煤层顶板出现了大量裂隙，由于顶板的完整性遭到破坏，普通单体锚索支护已经不能适应破碎顶板的支护要求。此时，选择合理的支护方式显的尤为重要。
图1 3#层4201巷掘进示意图
2 桁架锚索对破碎顶板的支护作用
2.1破碎顶板的压力拱及支护特点
破碎顶板是由裂隙系统切割成的松散岩块组成的集合体，其自身承载能力低，岩体强度主要由破碎岩块间挤压摩擦产生。由于围岩压力(特别是水平挤压力)的作用，破碎岩块相互挤压而形成压力拱，保护压力拱上方的岩块不跨落。压力拱下方的岩石，所受的水平挤压力很小，岩块间的摩擦力小于岩块的重力，如果没有及时有效的支护，顶板容易跨落。巷道支护的目的是控制围岩变形和顶板跨落[3]，为此应控制压力拱的范围和压力拱下方岩块的冒落。单体锚索与顶板是点接触，在顶板破碎的情况下，控制范围大幅减少。单体锚索垂直布置，只能提供垂直方向的挤压力，并且锚固点可能位于压力拱内。压力拱的承载能力很低，导致锚固点不稳定。单体锚索倾斜布置，顶板岩块项两帮挤压，使巷道中部的岩块易发生大变形和跨落。
2.2桁架锚索对破碎顶板的支护作用
桁架锚索支护是将受压状态的巷道两帮上方的深部岩体作为锚固点和承载结构的基础，采用高预紧力对拉并锁紧2根钢绞线，直接作用于压力拱以下的围岩提供水平预应力以改善顶板的应力状态，强化低位岩体的力学性能和提高其抗变形性能，控制层状顶板的不协调变形[4]。
桁架锚索是一种能在巷道顶板的水平和垂直方向同时提供挤压应力的主动支护结构，从而使锚固区内的煤岩体处于垂直挤压和水平挤压状态。桁架锚索预紧力能对压力拱下方的围岩施加水平积压力，从而增加岩块间的磨擦力，可有效主动控制巷道顶板的初始下沉。在巷道顶板的弯曲变形过程中，锚索受到的拉应力增加，锚固区内的煤岩体受到的挤压支护力也随之增加。桁架锚索的锚固点位于巷道两帮上方深部岩体的稳定区，可以对压力拱施加压力，促使压力拱更加稳定。
根据压力拱以及桁架锚索的力学特点，建立力学模型，如图所示：
压力拱下方岩层的范围可由下式得出：
（1）
压力拱下方岩块的重力Q为
（2）
其中
为上覆岩层容重。分析表明顶板岩层欲得到主动有效控制，必须使施加于桁架锚索结构锚固端的预紧力F不小于其控制范围内的外力，即
(3)
其中
为桁架锚索与水平面之间的夹角。从式(3)可以得到锚索预紧力的计算方程。
3 支护方案和效果
3.1应用情况
大量的工程实践证明，桁架锚索是近距离煤层巷道最有效的支护方式，以高强度锚杆为主体支护的联合支护是控制围岩变形最有效、最经济的手段。所以，4202巷选择桁架锚索、锚杆、钢带、钢筋托梁、金属网联合支护方式。
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顶板支护
锚杆形式和规格：杆体采用20# 左旋无纵筋螺纹钢，长度为2000mm，杆尾螺纹为M22mm。
托板：采用拱型高强度托板，托板规格为100×100×10mm。
W形钢带规格：厚度为3mm，宽度为150mm，长度为2800mm。
金属网规格：采用金属网片护顶，网片规格为1500×2500 mm，网格规格为100×100mm。网间搭接长度不小于100mm，用双股14#铅丝按不大于300mm的间隔连接牢固。
锚固方式：树脂加长锚固，采用两支树脂药卷，一支规格为K2330，另一支规格为Z2330。钻孔直径为28mm。
锚杆布置：锚杆排距×间距= 800×800mm，每排4根锚杆。
锚杆角度：顶板所有锚杆与顶板成90°。
桁架锚索：由两根锚固钢绞线和一根连接钢绞线组成，钢绞线直径为f17.8mm，锚固钢绞线长度为2600mm，连接钢绞线长度为2800mm。钻孔直径为28mm，采用加长锚固，使用两支树脂药卷，一支规格为K2330，另一支规格为Z2360。每2排锚杆布置1排桁架锚索，间距1600mm，锚固钢绞线与铅垂线成30°。连接钢绞线必须压在W形钢带上。用双孔环行连接器连接锚固钢绞线与连接钢绞线。并将以上参数代人式（3）得预紧力为105.4KN，因此设计预紧力为120 KN能有效防止冒落拱下方的岩石冒落。
2）巷帮支护
锚杆形式和规格：杆体采用18#左旋无纵筋螺纹钢，长度为1800mm，杆尾螺纹为M20mm。
托板：采用拱型高强度托板，托板规格为100×100×10mm。
W形钢带规格：厚度为3mm，宽度为150mm，长度为2800mm。
钢筋托梁规格：由f12的钢筋焊接而成，宽度为60mm，长度为2800mm。
金属网规格：采用金属网片护帮，网片规格为1500×2500，网格规格为100×100mm。网间搭接长度不小于100mm，用双股14#铅丝按不大于300mm的间隔连接牢固。
锚固方式：树脂加长锚固，采用一支树脂药卷，规格为Z2360。钻孔直径为28mm。
锚杆布置：锚杆排距×间距= 800×800mm，每帮每排布置4根锚杆。
锚杆角度：靠近顶板及底版的巷帮锚杆安设角度为与水平线成10°。
支护布置如(图2)所示
图2 桁架锚索支护参数布置
3）支护材料
① 锚杆
锚杆杆体为左旋无纵筋螺纹钢筋，专用锚杆钢材，屈服强度大于400Mpa，延伸率为大于15%。顶板锚杆的杆体公称直径为f20mm，杆尾螺纹规格为M22mm。帮锚杆的杆体公称直径为f18mm，杆尾螺纹规格为M20mm。杆尾螺纹均采用滚压加工工艺成型，配套高强度拱型托板、高强度螺母、减磨垫圈及球形垫圈，力学性能及结构相互匹配。
② W形钢带
厚度为3mm，宽度为150mm，外形尺寸与高强度拱型托板相互配套。
③ 钢筋网片（金属网片）
金属网均采用机织菱形金属网，材料为10＃铅丝，金属网片规格为2500×1500，网孔规格为100×100mm。
④ 锚索
锚索为7股高强度钢绞线，公称直径为f17.8mm，强度级别1860MPa，最低破断载荷为353kN，延伸率为3.5%。钢绞线连接器为双孔环行连接器。
⑤ 钢筋托梁
钢筋托梁由f12的钢筋焊接而成，长2800mm，宽60mm。按装锚杆方孔：长×宽=36×36mm。
4）支护效果
4202巷道施工后及时安装测站，测量巷道表面围岩位移的变化情况。观测正位于巷道中部，测得围岩位移随掘出时间规律。如(图3)所示。
图3 巷道围岩变形量随时间变化规律
在观测的1个月中，两帮最大移近量小于164mm，顶板最大下沉量小于235mm。巷道初期收敛速度比后期收敛速度要大，两帮经过10天左右巷道收敛速度就趋于稳定，顶板需要较长时间，经过20天左右时间以后才趋于稳定。现场实践证明巷道围岩控制效果较好。
4 结论
开采动压影响巷道、近距离煤层巷道支护是大同煤矿集团公司的两大支护技术难题，同时受开采动压和近距离影响的巷道支护更是难上加难，我们通过桁架锚索支护技术，攻克了开采动压下近距离煤层巷道支护技术难题。小峪矿南Ⅱ盘区4202巷采用桁架锚索支护技术，既缓减了南Ⅱ盘区接替紧张的局面，又使巷道支护实现了安全、经济、快速的目的。
4.1 桁架锚索与普通锚索相比，具有以下优点：
1）桁架锚索的锚固点为巷道两肩窝深部岩体，十分可靠，水平预紧力可以改善顶板的应力状态，可以消除离层。
2）桁架是通过拉紧的钢绞线与顶板形成线或面接触，作用范围大，加固效果好；
3）钢绞线抗剪性能强，能够缓解水平应力导致的顶板支护结构的剪切破坏；
4）锚固深度一般只需要3.0～4.0m，施工方便。
4.2 推广应用前景
大同矿区随着开采程度和深度的增加，近距离煤层巷道和开采动压影响巷道越来越多，支护难度也越来越大，以往先是采用一般的锚杆锚索支护方式来对付，然后无限制地增加支护的密度和刚度，既不安全，又造成了巨大的经济损失。通过在小峪矿南Ⅱ盘区4201巷试验，桁架锚索具有很好的支护机理，所以在大同矿区具有广阔的推广应用前景。
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作者简介：王志刚（1979-），男，山西原平人，助理工程师，大学本科，2003年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，从事煤矿生产技术管理工作。
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