复合顶板煤巷支护对策

　　摘　要　在煤矿，已采用锚索支护巷道交岔点、马头门、大型硐室，并发展到支护高地应力煤巷、回采大断面开切眼、停采线等。对于复合顶板煤巷，采用预应力锚索支护也可以经济合理地解决煤层复合顶板的支护难题。具体分析了这一方法的优点和适用性，以及支护参数的选择和计算。今后这种支护方法必将以施工便捷、成本低廉的特点得到更加广泛的应用。

　　关键词　小直径预应力锚索技术　煤层复合顶板　锚索支护参数选择

　　复合顶板煤层巷道的支护问题是发展锚杆支护的一大难题。如果使用小直径预应力锚索支护这种顶板，以较大的杆体长度锚入岩层深部，施加预紧荷载防止顶板离层，提高杆体承载力加大支护强度，则可以经济合理地解决复合顶板的支护问题。

1　煤层复合顶板的特点与支护现状

　　煤层复合顶板就是两个或几个煤层的顶板组合成的直接顶，即在开采煤层的直接顶板中存在1层或几层不可采煤层。在多煤层煤系地层中，这种顶板经常存在。
　　从支护角度分析，复合顶板有以下特点：①这类复合顶板使可采煤层的直接顶厚度大大增加，由直接顶形成的顶板压力也相应增加；②复合顶板的均一性极差，软硬岩相间，层理较发育，层面间粘结力小，采动后很容易离层挠曲；③绝大多数复合顶板与煤层呈整合接触，上层煤的底板即是下层煤的顶板，两煤层间的岩体以灰黑色粉细砂岩较多见，含植物碎屑化石，岩性较软，给顶板支护带来困难。
　　对于上述的煤层复合顶板，使用普通锚杆支护时，锚固端极易处于煤层当中，煤层本身松软，锚固力很难达到要求。煤间岩层由于厚度小岩性软，普通锚杆构成的组合梁弯矩不大，不能阻止本层的挠曲下沉和上部顶板的离层。在生产实践中，用锚杆支护复合顶板容易发生冒顶事故。在下部直接顶岩性好、没有动压影响、服务时间短的巷道中，有时采用锚杆支护。
　　目前，复合顶板煤巷较为普遍的支护方式是刚性棚子。根据掘进方法和装载设备的不同以及顶板岩石性质的需要，有些情况下，增加了锚杆临时支护，形成锚杆和棚子双重支护。
　　刚性棚子支护属被动支护，矿用工字钢在跨度3m以上时，弯矩不大，承载力有限。棚子刹顶对顶板的预紧力很小，不能有效减弱顶板下沉。在地应力增大地带，棚梁往往严重弯曲或压翻，不得不增加中柱或补架新棚。在采掘机械的发展要求巷道断面越来越大的情况下，梯形棚子更显得不适应。况且，钢性棚子运输和架设困难，耗费钢材多，成本较高，影响煤矿企业的经济效益。在煤层间岩石厚度达到2m以上时，采用单体锚杆加喷浆的办法较好地解决了一部分复合顶板的支护问题。喷浆厚度一般为3～5cm。喷层封闭了顶板，防止顶板风化和剥落，提高了锚杆托板的承载力。但这种方法锚固深度仍然不大，支护强度不会提高很多。

2　锚杆失效形式

　　锚杆支护遭受破坏的方式主要有以下3种：
　　(1)锚杆锚固的顶板整体弯曲下沉，直到全部垮落，形成冒顶事故。这种情况较少见，但尚未全部根治。主要原因是直接顶厚度大，岩石强度低，层理发育，粘结力小；锚杆锚固深度浅，预紧力小，锚杆支护的悬吊作用、组合梁作用都没发挥。有时集中地应力会促成这种事故发生。煤层下软上硬的复合顶板，最易出现这种事故，见图1(a)。
　　(2)单体锚杆的垫片压裂、托板压断，或者是螺纹根部拉断、锚固端拔出，发生塌顶事故，塌落厚度一般为1～1.5m。形成原因主要是地应力使下层顶板碎胀；锚杆构件质量较差，顶板压力大时不能承受；锚杆的间排距偏大，整体承载力不足；锚杆安装不良，彼此受载悬殊，逐根压坏，见图1(b)。
　　(3)锚杆架设完好，顶板没有明显的压力显现，但随着时间推移，锚杆托板间的顶板片状剥落，使托板不能贴紧顶板，锚杆失去作用，顶板失去支护，从而使巷道不能安全使用。这主要是顶板风化潮解，原生裂隙或再生裂隙扩张而造成，见图1(c)。

图1　锚杆支护失效示意

3　小孔径预应力锚索对煤层组合顶板的适用性

　　煤巷支护用小孔径预应力锚索与其它岩土工程大型锚索相比，结构有所简化(图2)。
　　锚索材料选用高强度预应力钢绞线，承载能力高。如直径15.24mm低松弛钢绞线最低破断载荷达到260.7kN。直径18mm的5号钢锚杆杆体极限载荷为127.3kN；直径16mm的25号锰硅钢锚杆杆体极限荷载为116.6kN，都大大低于高强度钢绞线承载能力。用钢绞线制作的锚索有一定柔性，运输和安装都很方便。
　　锚索的杆体长度，根据支护需要，可选用5～8m或者更长。对于松软岩层厚度特别大的煤层复合顶板，锚固端仍可进入坚硬的老顶当中，锚固力会大大提高。
　　锚索在安装过程中，采用小型千斤顶张拉，其预紧力能达到100kN以上。这是棚子支护无法比拟的，对于特别容易离层下沉的复合顶板尤为重要。锚索不仅是一种主动支护形式，更是加固岩体使其主动承载的支护方法。
　　与架棚巷道相比，使用锚索支护可减小巷道掘进断面，减少掘进费用。

图2　煤巷锚索结构示意
1—钢绞线；2—锚具；3—垫板；4—钢托板；
5—挡片；6—树脂；
L₁—张拉端；L₂—自由段；L₃—锚固段

　　由于锚索孔的深度是普通锚杆孔的3～5倍，钻孔难度加大。为减少钻孔工作量，减少锚索材料消耗，其排间距就应适当增加。为全面控制顶板，需要用普通锚杆和锚索互相配合，由锚索主要承担厚层的直接顶荷载并施加预紧力，由普通锚杆作为锚索间的补充支护，在顶板下层形成组合梁，承担一定载荷，并控制下层顶板的剥离和掉落，从而形成完善的围岩控制体系。

4　参数的选择和计算

4.1　压力估算
　　由于复合顶板岩性的不均匀性，离层现象较严重，离层厚度大，应用普氏公式计算顶压误差很大。依据这类顶板的冒落特征，锚索支护荷载可用在特定条件下危岩冒落理论来估算。即煤间的夹岩、不可采煤层、其上的伪顶和松软直接顶是有冒落危险的岩层。由于岩体内摩擦力作用，冒落截面近似于等腰梯形(图3)，则巷道的压力值可由下式计算，即

W=∑S_iγ_i　　(i=1,2,3,…)

(1)

式中：W为每米巷道静压力，kN/m；S₁，S₂，…，S_i为不同岩性岩层的计算面积，m²，S₁=Bh₁-h²₁ctgα，S₂=Bh₂-(2h₁h₂+h²₂)ctgα，…,S_i=Bh_i-〔ih₁h_i+(i-1)h_(i-1)h_i+h²_i〕ctgα；h₁,h₂,…,h_i为不同岩性岩层的厚度，m；γ₁,γ₂,…,γ_i为各分层岩石容重，kN/m³；α为岩石塌落角(可取70～80°)；B为巷道宽度，m。
　　计算时，可按容重差别较大的煤和岩层分层计算，以便减少层数，简化计算过程。

图3　压力计算示意图

4.2　支护密度和预应力钢绞线的选择
　　在顶板压力确定的情况下，支护密度与单根锚索的承载能力成反比。承载能力主要决定于预应力筋的材质和规格。设计时，可先选定预应力筋，依据有关参数计算锚索可承受的荷载，然后计算支护密度(亦可先确定支护密度，计算出锚索荷载，从而选用预应力筋)。计算公式为

P=ηf_kA/K

(2)

式中：P为锚索设计荷载，kN；η为锚具效率系数(参考值0.9)；f_k为预应力钢材强度标准值，MPa；A为锚索预应力筋截面面积，mm²；K为安全系数(1～2)。
　　支护密度(根/m)N为

N=W/P

(3)

　　根据N值确定锚索间排距。要反复计算几次，选取恰当的值。

4.3　锚固长度的确定
　　分别计算锚固剂与钢绞线的粘结长度L，锚固剂与岩体粘结长度L_a，选取其中最大值。

L_a=K₁P/πdτ_a

(4)

L_b=K₁P/πDτ_b

(5)

式中：K₁为安全系数(1.5～2.0)；d，D分别为预应力筋及岩孔直径，mm；τ_a，τ_b分别为锚固剂与钢绞线、锚固剂与岩孔的粘结应力，MPa。
　　锚固计可用水泥砂浆，亦可用树脂卷。锚固长度也可按抗拔试验确定。实际应用中多采用工程类比法选取。

4.4　钻孔深度的确定
　　岩孔深度为锚索锚固段长度和自由段长度之和，通常以锚固段进入坚硬岩层来选取，根据松弛要求，自由段长度应在3m以上，
并超过危岩破裂面1m以上。岩孔深度L_k为

L_k＞∑h_i+L_m+1

(6)

式中：L_m为选取的锚固段长度，m。
　　岩孔直径选28～32mm。对于小直径岩孔，钻孔阻力小、速度快，节约锚固剂，已是煤炭行业成熟的技术。

5　经济效益分析

　　以锚索加锚杆的支护与矿用工字钢棚支护、棚锚双重支护相比较来衡量优劣。施工费用方面，钢棚的加工、运输和架设比较复杂，锚索钻孔比较费工，二者大体持平，主要材料费用比较见附表。
　　由附表可以得到，锚索加锚杆支护每米费用177.4元；钢棚支护每米费用为1 190元；棚锚双重支护每米费用1 288.4元。很明显，锚索支护材料费用大大低于钢棚支护，每米可省1 012.6元，节约85%。如果锚索加锚杆与钢棚加锚杆双重支护相比，每米巷道节省材料费用1 111元，效益更加可观。

附表　锚索、架棚和锚杆材料费用