煤矿顶板支护技术的研究与设计

杨 波

(山西潞安集团 蒲县常兴煤业有限公司生产部，山西 长治 041200)

1 引言

顶板支护作为直接影响煤矿企业劳动安全和生产顺畅的关键因素，在实际的支护形式选择和设计计算方面有着较高的要求。基本原则是既要能产生良好的支护效果和具备较高的自动防御能力，又能够保证施工流程与工艺的简化与便捷，只有这样才能保证顶板支护应用的过程中满足安全和经济两个目标。下面就常见的支护形式进行简单的介绍。

2 煤矿顶板支护形式

2.1 基本支护

基本支护包括木材支架、石材支架和型钢支架等三种，其中木材支架的优点在于能够适应多变的地下作业条件且质量较轻、架设方便，但是缺点在于强度较低、容易腐蚀和不能防火。石材支架是由砂浆与石材一同砌制而成的连续型支架，其优点在于可以就地取材且来源广泛，在实际的支护中不仅具备较好的强度，同时还可以有效的阻止围岩风化。型钢支架在我国煤矿中的应用主要包括工字钢和U 型钢两种，围岩变形量较大或巷道位于断层破碎带处对该支架的应用较多。

2.2 强化支护

顶板的强化支护按照使用时间的长短可以分为永久性支护和临时性支护两种，其中临时性加强支护主要是在巷道内的某一点设置一个较为容易安装和拆移的单体支撑柱，较为常见的是液压支柱。而永久性的加强支护主要是在巷道原有支护的基础上通过增加构件的方式来实现强度或稳定性的加强，常用的形式有偏心柱、立柱和中心柱等三种。

2.3 巷道加固

巷道加固主要包括机械加固和注浆加固两种，其中前者的主要技术操作为夯实，也就是利用机械或者人力将围岩的松散部分进行整平或压实，而后者主要是通过向围岩岩体中注射浆液的方式，而在这一过程中泵浆与围岩形成了有机的整体并达到了一个较好的应力平衡状态，使其结构更加稳定，裂缝也能很好的闭合。

2.4 锚杆支护

锚杆支护是将由杆体、锚头及托板等组成的杆状结构物锚固在巷道围岩内，从而增强岩体的整体强度和实现应力的传递，根据锚固形式的不同可以将锚杆支护分为粘结式、机械式和摩擦式三种。此外根据锚杆材料的不同，可以分为竹锚杆、木锚杆、混凝土锚杆和金属锚杆，按照作用特点可以分为被动式锚杆和主动式锚杆等。

其中锚固剂的主要作用是将锚杆与钻孔的岩石壁进行粘接，金属网与钢带主要是增强围岩的稳定性，预防岩块的松动与掉落，托板的主要作用是增大锚杆的工作阻力和为锚杆提供预紧力，锚杆是支护系统中最主要的功能构件，抗压和抗弯能力较低，抗剪和抗拉能力较强。

3 煤矿顶板锚杆支护设计理论

3.1 悬吊理论

锚杆支护设计的悬吊理论适用于规模较大且顶板上部有较稳定的岩层，直接顶为较软岩层的情况，如果顶板出现松动破碎区可以通过悬吊锚杆在上部形成自然的平衡拱，在进行基础理论设计的过程中只需要知道不稳定岩层的重量，便可以计算出锚杆的间排距、直径、锚固力及长度，图1 为支护参数计算示意图。

图1 支护参数计算示意图

(1)锚杆长度:L=L1+L2+L3，其中L1为锚杆外露长度，L2为锚杆有效长度，L3为锚杆锚固长度。

(2)锚固力:Q=KL2a1a2γ，其中K 为安全系数，一般取1.5～2，a1和a2为锚杆间排距，γ 为岩层平均重力密度。

3.2 组合梁理论

组合梁理论的适用范围为采深较浅，顶板岩层结构为较多层的软岩且没有明显的构造应力，在应用的过程中通过锚杆将锚固范围内的几个薄岩层进行锁紧，这样便可以通过增加岩层间的摩擦力和抗剪刚度来防止层面滑动和水平错动。其中锚杆提供的主要是切向与轴向约束，在进行设计的过程中只需要计算出必须的承载能力便可以进行锚杆支护参数的确定，具体的力学模型如图2 所示。

图2 组合梁力学模型

锚杆长度:L=L1+L2+L3，其中L1为锚杆外露长度，L2为锚杆有效长度即组合岩梁厚度，L3为锚杆锚固长度。

3.3 组合拱理论

组合拱主要适用于拱形巷道围岩的破裂区，理论研究表明如果沿巷道周边以足够小的间距进行锚杆安装，便可以通过分布在锚杆两端的圆锥形压应力交错形成一个均匀的压缩带，而这个压缩带又被称为组合拱或加固拱。由于该支护形式不能够进行准确的定量设计，所以只需要了解所需的加固拱厚度便可以进行参数的计算，具体的力学模型如下图3 所示。

图3 加固拱力学模型

4 煤矿顶板锚杆支护设计

煤矿顶板锚杆支护的设计流程可以分为巷道围岩地质力学评估、初始设计、井下监测、信息反馈和修正设计等五部分，下面就每一步的具体要求进行深入的分析。

4.1 围岩地质力学评估

围岩地质力学评估的主要目的是为初始设计中的围岩类型确定提供数据和理论支持，在进行评估的过程中主要包括地质构造和围岩结构，围岩岩性和强度，环境影响，地应力，采动影响和黏结强度测试等。

4.2 初始设计

在对围岩地质力学进行初步评估之后，便可以对比围岩分类表进行类别的确定，并在此基础上确定出巷道顶板锚杆支护形式和主要参数，具体确定方法如下表1 所示。

表1 煤矿巷道顶板锚杆支护形式与参数选择表

巷道类别围岩状况支护形式 支护参数Ⅴ 极不稳定顶板较完整:锚杆+金属可缩支架，或增加锚索顶板较破碎:锚杆+网+ 金属可缩支架，或增加锚索，或加固围岩底鼓严重:锚杆+ 环形可缩支架全长锚固 杆体直径:18～22mm锚杆长度:2.2～2.6m 排间距:0.6～1.0m

4.3 井下监测

井下监测的主要目的是获取锚杆和巷道围岩的各种受力与变形信息，以便分析巷道的安全程度和进行初始设计的修正，选取的基本原则为能够全面反应巷道围岩变形情况，锚索与锚杆的分布与受力情况，且操作简单和便于测取。目前对于监测指标的选择主要包括锚索与锚杆受力，两帮相对移近量和顶板离层值等三方面的六个指标，具体分别用A、B、C、D、E、F 表示:

A——锚固区内顶板离层设计值，mm;

B——锚固区外顶板离层设计值，mm;

C——两帮相对移近量的设计值，mm;

D——全长锚固测力锚杆杆体测点屈服数与杆体测点总数的比值，定为1/3;

E——端锚锚杆的设计锚固力，KN;

F——锚索的设计锚固力，KN;

所有指标的检测均选在围岩变形的掘进影响期。

4.4 信息反馈

信息反馈是指将上述监测六个指标的实测值与初始设计中选取的指标值进行对比分析，而对于反馈指标信息的合理性确定不仅直接关系到支护材料使用和成本的大小，同时也是影响巷道整体安全性能的关键，如果反馈指标值过于保守就会造成材料的浪费和支护成本的增加，相反则会导致安全性的下降。

4.5 设计修正

无需对初始设计进行修正的标准为A、B、C、D 的实测值均小于等于设计值，而E 与F 分别小于等于设计值的4/5，如果有一个指标不能满足要求便需要对初始设计进行修正，其中优先修改锚索与锚杆的预紧力。当出现顶板弯曲变形、两帮移近量增大或者锚杆位置移动等问题时，就应该适当的增加锚索与锚杆的预紧力，目前我国锚杆预紧力的确定范围一般为材料屈服强度的30～50%。

5 结语

通过以上对煤矿顶板支护形式与原理的简单介绍，不仅可以清晰的认识到顶板支护对于煤矿生产安全的重要性，同时也更加深刻的认识到想要从根本上避免顶板冒顶事故的发生就要做好支护技术的理论研究和应用设计。虽然目前我国对于顶板锚杆支护技术的应用仍然存在较多的问题和需要改进的方面，但是随着相关理论研究的深入以及实际设计经验的增加，一定能够使顶板支护的质量得到进一步的提升。

［1］孙国洪.采煤工作面的顶板支护与控制［J］.科技风，2012，(22):118－118.

［2］颜景玉、潘永清.浅谈过地质构造是采煤工作面顶板支护［J］.山东煤炭科技，2012，(4):228－230.

［3］刘磊、冯青林、胡成忠.采煤工作面有效支护方式及创新的探讨［J］.科技信息，2011，(9):I0368－I0368.