复合顶板锚杆支护的叠加支护方法研究

2023-01-14高燕杰

山西冶金 2022年2期

高燕杰

（汾西矿业集团安全监察中心，山西介休 032000）

在煤矿矿井建设和开挖工作过程中，锚杆支护施工技术是几种比较常用的技术形式，所具有的支护工作优越性非常明显，但是在煤层埋深相对较大的矿井开挖工作中，由于多分层、低强度负荷顶板锚杆支护施工方法一直是其中一项施工难题。根据顶板岩性条件、分层结构等相关参数多次变化，顶板锚杆支护施工方案每一种设计工作方案，在进行多次优化和改进之后并没有达到预期的巷道支护工的效果。

1 巷道顶板破坏机理分析

1.1 巷道顶板破坏过程

由于煤矿巷道顶板位置受压出现变形，岩石局部出现屈服变形、节理弱面产生破坏、顶板位置较低层的弯曲变形、岩层结构出现拉伸或者局部剪切破坏问题，最终会造成煤矿巷道顶板产生严重的破坏。

1.2 塑性破坏工作机理

煤矿巷道围岩在高地应力作用条件下，会产生应力扩张变形破坏问题，巷道围岩当中经常会存在膨胀性软岩地质条件，在吸水之后会产生膨胀变形问题，造成围岩结构产生破坏。巷道在开挖工作完成之后，巷道周围围岩先通过压应力造成挤压破坏问题，随着挤压破坏不断朝着围岩结构深处进一步发展，会造成岩石裂隙进一步扩张出现体积膨胀、巷道周围的岩层结构产生弯曲，进而会出现弯曲拉应力作用，造成顶板的岩层结构产生破坏性问题[1]。

1.3 结构破坏机理

煤矿巷道开挖工作完成之后，岩层结构的抗水平应力截面面积下降，在水平应力作用条件下每一层会沿着水平层面不断朝着巷道内部挤压，造成巷道的顶部位置受到水平作用力影响而产生破坏。围岩结构当中节理构造面存在围岩承载能力下降以及稳定性下降问题，特别是在节理面和最大主应力方向上产生斜交问题时，岩体结构很容易出现稳定性下降而产生弱面破坏性问题。煤矿巷道开挖工作完成之后，围岩结构的受力状态通过三轴应力变成单轴压应力状态，因为岩石单轴的抗压强度相对较低，会造成围岩结构出现塑性破坏问题，或者直接沿着节理发育面产生破坏。周围的岩层结构会受到比较严重的挤压破坏影响，产生严重的变形和弯曲情况，破坏区域越大弯曲变形程度越高，因此所造成巷道周围位置始终处于一种强压缩性的状态。随着锚固岩体结构继续出现变形和弯曲，巷道内部的锚杆始终处于紧张受力状态，如果锚杆的长度和刚性程度较大会造成受力更大，当达到极限受力强度时会出现比较严重的破坏性问题[2]。

2 叠加支护工作理论

当前在我国一些深井开挖工作过程中，在高应力作用条件下煤矿巷道内部的锚杆支护，在长时间的使用过程中会产生一定的松动和不稳定性问题，并且相关工作人员也经过多次支护参数调整，但是如果从单层锚杆作用角度上来看，提高支护体结构强度整体的表现效果相对较差。通过对以往的实践工作理论分析可以看出，通过这种单一的锚杆支护施工方法，无法完全阻止巷道顶板的破坏性问题，则锚杆支护设计工作过程中不能单纯从提高支护体结构强度的角度上来进行分析，需要从对破坏岩土的加固、阻止围岩结构继续产生松动以及提高松动体自身结构稳定性的角度上进行重点分析和考虑，不但需要发挥出锚杆支护工作所具有的优势，同时还需要保证复合顶板的支护施工效果得到有效保证[3]。

2.1 一级支护结构

一级支护结构主要指的是短锚杆形成的承载结构，单一通过锚杆支护使用方法无法阻止围岩产生松动问题，则无须要特别提高顶板支护结构体的强度大小，将短锚杆的延展性抗拉强度以及抗剪强度的工作优势充分发挥出来。短锚杆的锚固厚度相对较小，锚固体扩容变形量相对较小，扩容应力进一步降低，通过使用全程锚固方法加强螺纹钢锚杆支护结构的稳定性，可以充分满足复合顶板底层结构锚固体的扩容变形效果，因此可以形成初期支护阶段的顶板挤压和平衡状态形成强度更高的次生承载体。

2.2 二级支护结构

通过使用钢绞线锚杆所具有的可延展性特点，有效适应围岩结构破坏问题所产生的扩张变形量，有效保证人体结构的承载强度和稳定性，保证次生承载体在产生破坏的问题前后，始终处于一种更加稳定的塑性强度大小。有效使用钢绞线锚杆的长度和强度大小，全面强化自身承载层的抗变形能力，长锚杆和短锚杆通过相间布置方法，在容易产生弯曲破坏的巷道顶板中间位置可以有效解决，因为顶板中部受力过大而产生变形量问题的干扰，进一步提高顶板次生承载层的抗压强度以及塑性变形工作能力，可以形成一种塑性更强、承载力更大的不均匀对称基础承载体结构，全面提高破坏岩体结构的稳定性[4]。

2.3 三级支护结构

通过使用钢绞线锚索对岩体展开挤压和加固处理，保证锚索相互之间形成堵墙和促进性作用，同时和短锚杆、长锚杆、锚索加固的承载体之间形成相互补强作用。锚索结构具有良好的延展性以及抗拉工作强度，会使得锚索所形成的锚固岩体，在巷道顶板的中间区域形成一条强度更大、塑性更强、结构稳定性更高的承载体。锚索加固点在松动圈之外，可以进一步提高顶板承载体结构的稳定性，同时锚索设置在两排锚杆的中间区域，可以进一步提高支护体结构的密度大小，锚索和长锚杆具有更高的延展性能同时强度更高，可以全面提高承载体结构的强度、塑性以及抗弯曲破坏性，能有效提高存在的结构的整体稳定性。

3 叠加支护技术方法的具体应用

有效结合我国某地区一处煤矿开采巷道支护施工展开分析和研究，本次巷道支护施工方法，采用的是叠加支护技术方法，工作单位积累了大量的参数数据信息，充分发挥出叠加支护施工技术优势。本条巷道埋深467 m 顶板结构属于复合层结构，煤矿巷道设计断面尺寸为4.6 m×3.0 m，矩形断面结构根据叠加支护施工技术方法进行顶板支护设计，短锚杆结构使用的是22 mm×1 600 mm 的热轧螺纹钢材料。长锚杆使用的是14.5 mm×3 500 mm 的钢绞线，锚杆锚索使用的是14.5 mm×5 300 mm 的钢绞线材料，锚杆锚索和测站仪器设备进行合理设计，根据叠加支护理论方法展开顶板支护施工，其中总共设置出三个监测站，监测站间距为10 m 顶板离层指示仪[5]。

通过三个固定点进行加固处理，固定点深度大小分别为1.5 m、3.5 m 和5.0 m。在第一阶段支护施工过程中，采用的是一级支护施工方法，短锚杆受力大小为130 kN 顶板下沉速率较快，平均达到8 mm/d，第一阶段大约为4 点左右。第二阶段为一级和二级支护叠加，承载低位和中位承载体同时作为主承载结构，长锚杆受力缓慢增加然后区域稳定，三级支护结构缓慢加在锚索数里大小进一步增加，顶板的下沉速率平稳。第三阶段作为一级二级和三级支护的叠加承载阶段，在巷道顶板低位中位以及高位的承载体，同时进行支撑顶板结构趋于稳定，短锚杆长锚杆以及锚索的受力并没有明显的提升顶板结构，不存在明显的下沉量。同一条巷道的其他支护施工作为原锚杆支护设计结构，锚杆材料使用的是22 mm×2 200 mm 的热轧螺纹钢材料，采取全程锚固锚杆间距大小为700 mm，排间距为800 mm 煤矿巷道从开挖到回采工作，锚杆支护原设计支护段经过两次翻修而叠加之后，综采工作面临及时进行拉底处理即可满足正常的工作要求，整个支护施工效果和经济效益表现更加明显[5]。