综放工作面两侧平巷顶板支护研究与探讨

吕传庆

(晋城宏圣建筑工程有限公司， 山西 晋城 048000)

综放工作面掘巷期间，由于掘进巷道沿底板掘进，其上方顶板将会以顶煤为主。常规支护方式下顶板煤岩层并不能处于很好的压应力控制环境中，时常会因为小断层等地质构造扰动影响而诱发冒顶事故，因此有必要针对顶板为煤体时的支护方式进行优化设计[1-2].

本文以山西晋能控股煤业集团某矿20322综放工作面为工程地质背景，调研某次冒顶事故发生后锚杆索残余杆体损坏特征，通过理论计算与数值模拟相结合的方式，对原有支护方案进行优化设计,并通过现场工程应用以及矿压监测等方法对优化后的支护方案进行效果检验。

1 工程地质概况

山西晋能能源控股集团所属某矿20322综放工作面掘巷期间于20322运输平巷内发生了一起严重的冒顶事故，事故发生位置为一小断层构造影响区。冒顶区域平面位置关系见图1.

20322综放工作面主采2#煤层，所采煤层厚度为5.8～6.6 m，均厚为6.2 m. 20322综放工作面地面标高为+935～+1 025 m，井下标高为+490～+572 m，平均埋深超过450 m，工作面两侧的平巷尺寸宽5.6 m、高3.55 m，巷道顶板以顶煤为主。20322工作面两侧平巷以锚杆索联合支护为主，其具体支护参数见图2.

图1 冒顶区域平面位置关系图

按照图2所示的锚杆索联合支护参数对20322综放工作面两侧平巷进行支护，其中锚杆排距为900 mm，锚索排距为1 800 mm. 由于平巷掘出后顶板以顶煤为主，其物理力学性质较岩层软弱，且受局部小断层构造的影响，因而发生了大范围冒顶事故，现场冒顶情况见图3.

由图3可知，现场采用图2所示的锚杆索联合支护后，并不能很好地起到对顶板煤体的支护效果，一旦遇到小断层构造等特殊地质条件影响时，顶板将会发生垮冒事故，影响工作面的前期准备工作和作业人员的人身安全。

图2 两侧平巷锚杆索支护参数图

图3 现场冒顶调研情况图

2 冒顶事故分析

2.1 冒顶事故概况

图1中大致给出了冒顶区域平面位置关系，顶板冒落后的具体参数情况见图4.

图4 顶板冒落后具体参数情况图

图4所示为20322运输平巷受小断层构造影响而使其附近顶板垮冒后的顶底板标高测定情况，可以看出冒顶区域长达53.65 m，冒顶范围极大，最大冒落高度为6.6 m，最小冒落高度为4.0 m，根据煤层均厚为6.2 m的客观条件可知，冒顶区域内不止顶煤发生了整体垮落，其上方岩体也伴随着顶煤发生了一定的冒落。

2.2 冒顶原因分析

冒顶事故发生后，通过对现场支护所用锚杆索构件进行调研发现，由于锚杆构件长度有限，基本锚固于顶板煤体内，因而对于顶板冒顶事故的发生影响甚微。反观众多锚索托盘呈现出明显的凹陷变形，并在现场遗落有很多被拉断的锚索残余杆体，由锚索断裂形式可以看出，托盘在较大的拉力作用下发生了明显的内凹变形，锚索断裂位置处呈现出明显的拉断特征，并非受顶板煤岩层水平剪切而呈现的剪切断裂形式。这意味着巷道顶板的冒顶事故是由于顶板煤岩层离层使原有锚索支护无法承担而发生拉伸破断而导致的，因此有必要针对锚索支护参数进行优化改良。

3 支护参数优化设计

对巷道顶板支护参数的优化应该从两个方面进行设计[3-4]：1) 锚索构件本身强度不足，在较高的承载力作用下容易拉断。2) 锚索构件预紧力不足，存在巷道顶板离层现象。

3.1 锚索数量优化设计

在原有锚杆支护方案的基础上，通过对不同数量锚索支护下顶板内的应力分布情况进行数值模拟，来研究不同数量锚索支护方式下顶板内应力的演化规律，见图5.

图5 不同数量锚索支护下顶板应力云图

由图5可知，随着顶板锚索支护数量从1根增加至4根，顶板受锚索预应力的压紧效应而在顶板内形成连片的应力压缩区。锚索支护数量为1根或者2根时，顶板内每根锚索所形成的应力压缩区互相之间干扰较小，无法对顶板形成连续的应力压缩区；而在锚索支护数量为3根或4根时，顶板内每根锚索所形成的应力压缩区之间相互影响，在顶板内形成了连续的应力压缩区，这时候顶板内煤岩层整体结构性较好，不易出现顶板内煤岩层离层的情况。可见，顶板锚索支护数量为3根时已经能够对顶板煤岩层起到很好的支护效果，考虑到经济因素，在此确定顶板锚索支护数量为3根。

3.2 锚索预应力优化设计

工程上针对锚索拉断的诱因进行了分析，得知造成锚索拉断的原因主要有以下两方面[5-6]：1) 锚索杆体的承载载荷达到了极限，锚索杆体无法承载更大的载荷而被拉断。2) 锚索杆体的延伸变形量超过了杆体的极限变形量而被拉断。

目前煤矿上针对锚索参数的设计通常只考虑锚索的承载性能，关于锚索杆体的延伸变形量这一因素往往被忽略。由于20322工作面为综放开采方式，其两侧平巷顶板以松软煤体为主，往往会由于离层变形等造成锚索杆体的延伸变形量较大，因此有必要针对锚索杆体的延伸变形量进行计算分析。

参考国家标准GB/T 14370—2000可知，锚索杆体(1×7结构的1860级钢绞线)的极限抗拉力约为260 kN，拉断时的极限延伸变形率为2.0%. 考虑到锚具组装后在实验室测定的锚具效率系数约为0.95以及工程地质条件影响系数约为0.9，代入以下公式[7]可以计算得到在工程应用中锚索断裂时的实际极限抗拉力(Fms)和极限延伸变形率(εms)：

Fms=ηa·ηs·Fpm=221 kN

(1)

εms=ηs·εpm=1.8%

(2)

式中，ηa为锚具效率系数；ηs为工程地质条件影响系数；Fpm为锚索杆体的极限抗拉力，kN；εpm为锚索杆体的极限延伸变形率。

当将锚索锚固于巷道顶板中，锚索杆体的延伸变形量主要包括初始施加预紧力期间产生的延伸变形量和后续顶板煤岩体变形所导致的延伸变形量两部分。而锚索锚固于巷道顶板后其可利用的延伸变形率(εΔ)和延伸变形量(ΔL)可按照下式计算：

ε1=(1.8-Fy/A)%

(3)

ΔL=(1.8-Fy/A)%×L

(4)

式中，Fy为锚索锚固于巷道顶板后初始施加的预紧力，kN；A为锚索杆体的刚度系数，取221；L为锚索锚固于巷道顶板中后自由段的长度，m.

结合式(3)和(4)可知，锚索锚固于巷道顶板后初始施加的预紧力值以及自由段的长度值均会对锚索杆体可利用的延伸变形量产生影响。不同初始锚索预应力值和自由段长度值下锚索的可利用延伸变形量可由实验室测试得知，见图6.

图6 不同条件下锚索的可利用延伸变形量图

由图6可知，相同初始锚索预应力条件下，锚索自由段长度越长，其相应的可利用延伸变形量越大。因此，在后续对顶板锚索支护参数优化设计时，要考虑增加锚索自由段长度，以期其能拥有更大的可利用延伸变形量。

4 工程应用

对20322工作面两侧平巷原有支护方案进行优化设计，考虑到巷道顶板为煤体，因此针对顶板内的锚索参数进行了优化设计，优化后的支护方案见图7.

图7 优化后的支护方案图

优化后的支护方案中，顶板锚索数量增加至3根，锚索长度增加至8 300 mm，其中锚固段长度为2.0 m，自由段长度为6.0 m，预紧力根据现场工程经验取值为120 kN.

采用优化后的支护方案对20322工作面两侧平巷进行支护后，在两侧巷道内各布置3个间隔50 m的测站对60天内顶底板移近量进行监测，测站KD1、KD2、KD3布置于20322运输平巷内，测站KD4、KD5、KD6布置于20322回风平巷内，监测结果见图8.

图8 现场矿压观测结果图

由图8可知，采用优化后的支护方案，掘巷期间顶底板最大移近量不大于170 mm，较巷道设计高度3.55 m可知，变形率仅为4.7%，可见巷道顶板变形控制效果显著。后续可以进一步延长监测时间，对优化后的支护方案对巷道顶板围岩的控制效果进行进一步验证。

5 结 论

1) 顶板以煤体为主的巷道支护期间容易受小断层等地质构造影响而发生冒顶事故，通过对现场支护所用锚杆索构件进行调研发现，现场遗落有很多被拉断的锚索残余杆体，且锚索断裂位置处呈现出明显的拉断特征。这意味着顶板煤岩层离层导致原有锚索支护无法承担而发生拉伸破断。

2) 锚索锚固于巷道顶板后初始施加的预紧力值以及自由段的长度值均会对锚索杆体可利用的延伸变形量产生影响。相同初始锚索预应力条件下，锚索自由端长度越长，其相应的可利用延伸变形量越大。

3) 采用优化支护方案对20322工作面两侧平巷进行支护后，巷道掘巷期间顶底板最大移近量不大于170 mm，较巷道设计高度3.55 m可知，变形率仅为4.7%，可见对于巷道顶板变形控制效果显著。