摘要：煤巷錨桿支護在實際施工中，經(jīng)常會遇到各種各樣的問題，給煤巷錨桿支護帶來很多困難，復合頂板就是其中之一，如不采取有效措施，將可能產(chǎn)生很大的安全隱患。本文主要從錨桿的支護原理、支護設計、實際應用等方面，對如何確保復合頂板時的錨桿支護質(zhì)量問題進行了闡述，取的了較好的效果。
　　關鍵詞：復合頂板；監(jiān)測；設計；
　　一、概述：
　　煤巷沿頂板掘進時常遇到復合頂板，所謂復合頂板是指在煤層頂板由多層巖層和煤線間隔復合而成，層間粘結(jié)力弱，暴露易發(fā)生離層，支護不良時還可能發(fā)生大面積垮落事故。過去我礦在復合頂板下掘巷時，支護方式常采用的是工字鋼架棚支護，由于架棚支護是一種被動支護，易造成巷道兩幫及頂?shù)装嬉平�量大，支架損壞嚴重，造成前掘后修的現(xiàn)象，嚴重影響安全生產(chǎn)。
　　為解決這一施工難題，在現(xiàn)階段的技術條件下，復合頂板支護方式很多，錨桿支護以其良好的優(yōu)越性排在所有支護方案的前列。但大量的實踐又證明，選用單一的、一成不變的支護設計方案，是不符合復合頂?shù)膹碗s性和多變性支護要求的，只有因地制宜，根據(jù)現(xiàn)場的復合頂板的狀況，采用不同參數(shù)的錨桿支護設計方案，我礦在Ⅱ463外段機巷、Ⅱ467機巷采用錨桿支護參數(shù)動態(tài)變化試驗研究，并取得了成功。
　　二、支護原理
　　1、支護原理：錨桿設計采用組合拱理論，錨索設計采用懸吊補強理論。
　　1）錨桿的作用
　　錨桿形成承載基礎，既然錨桿支護無法阻止深層巖體的松動，那么也無需特別提高頂板支護體強度，只需把錨桿的延展性、高抗拉強度、抗剪強度的優(yōu)越性發(fā)揮出來。錨桿錨固厚度小，錨固體擴容變形量相對較小，擴容應力也較小，利用全長錨固等強螺紋鋼錨桿支護，可滿足復合頂板底層錨固體的擴容變形和擴容應力，形成初期支護階段的頂板擠壓加固拱平衡狀態(tài)。
　　2）錨索的作用
　　錨索形成穩(wěn)定承載體，利用鋼絞線錨索預應力對巖體擠壓加固作用，使錨索與錨桿支護相互促進、相互補強。錨索有很好的延展性和抗拉強度，使錨索形成的錨固巖體在巷道頂板中部形成一條強度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的承載體。錨索錨固點處在松動圈之外，增加了頂板承載體的穩(wěn)定性。錨索布置在兩排錨桿之間，增加了支護的密度，錨索的高延展性、高強度，進一步提高了承載體的強度、塑性和抗彎曲破壞能力，提高了承載體的自穩(wěn)能力。
　　3）金屬網(wǎng)的作用
　　金屬網(wǎng)能夠托住擠入巷道的巖石，將錨桿之間非錨固巖層載荷傳遞給錨桿，有效地控制錨桿之間非錨固巖層的變形；金屬網(wǎng)托住已碎裂的巖石，防止碎裂巖體的垮落，雖然巷道圍巖已破裂，由于碎石的碎脹作用和傳遞力的媒體作用，使巷道深部巖石仍保持三向應力狀態(tài)，大大提高了巖體的殘余強度。
　　三、支護設計
　　巷道初始設計采用工程類比法與理論計算相結(jié)合的方法，在組織施工過程中，靈活運用支護參數(shù)動態(tài)設計法，對初始設計予以修正
　　1、設計方法：
　　1）工程類比法：根據(jù)要設計巷道的地質(zhì)條件，通過類比相似地質(zhì)條件的巷道支護設計，得出支護方案。
　　2）頂板懸吊理論驗算：根據(jù)頂板復合層的厚度來確定頂板冒落拱的高度，采用理論公式進行驗算。
　　3）支護參數(shù)動態(tài)設計法：核心是頂板巖層結(jié)構(gòu)探測與支護后頂板變形監(jiān)測和穩(wěn)定性預測技術，采用打錨索孔或地質(zhì)探測孔的方法探測頂板的巖層結(jié)構(gòu)，根據(jù)探測結(jié)果，優(yōu)化、調(diào)整支護參數(shù)。隨著掘進面的推進，動態(tài)監(jiān)測頂板的巖層變化趨勢，根據(jù)探測的結(jié)果及時發(fā)現(xiàn)隱患．并修改和調(diào)整待掘進區(qū)域設計。消除對圍巖條件變化反應滯后的現(xiàn)象，對每個區(qū)域都能根據(jù)最新的實時反饋信息，得到符合實際的錨桿支護參數(shù)。確保支護安全可靠，經(jīng)濟合理，技術可行，取得了良好支護效果。
　　2、設計內(nèi)容：①錨桿、錨索間排距及長度；②支護材料選擇。
　　3、設計流程：①錨桿支護參數(shù)初始設計；②現(xiàn)場施工組織；③頂板巖層結(jié)構(gòu)的動態(tài)探測；④支護效果監(jiān)測；⑤參數(shù)修改，完善錨桿支護設計。
　　4、礦壓觀測及優(yōu)化支護參數(shù)
　　1）觀測內(nèi)容包括：頂板離層儀內(nèi)外離層、巷道表面位移、頂板鉆孔窺探儀觀測
　　2）支護參數(shù)優(yōu)化：根據(jù)礦壓信息，不斷修正設計，循環(huán)往復最后達到參數(shù)的最優(yōu)化。同時對支護后的巷道頂板進行變形監(jiān)測，預測頂板危險區(qū)域，采取控制措施，消除安全隱患。
　　5、煤壁管理：針對三四煤松軟特性，采取以下一系列改進措施
　　現(xiàn)象：在巷道施工過程中，斷面的頂板傾角大，上幫高達4.0m，容易片幫，導致幫部在沒有來得及支護之前，煤就已經(jīng)塌幫。
　　1）鋼筋網(wǎng)全封閉支護針對巷道施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)掉渣空肩現(xiàn)象，為有效地對圍巖起到保護和支撐作用，能更好地把頂網(wǎng)和幫網(wǎng)連接成一個整體，增強了鋼筋網(wǎng)的支撐和傳遞力的作用，采用全封閉支護；
　　2）縮小間排距由原來常規(guī)間排距800mm×800mm改為600mm×600mm。
　　3）塘材笆片護幫由于煤比較松軟，普通的鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格較大，煤容易外漏，在鋼筋網(wǎng)內(nèi)充填塘材笆片，能更好地防止煤壁片幫。
　　4）加用木墊板在錨桿托盤下加一層木墊板，能起到讓壓作用，增加彈性，不以致于幫部一來壓，減少托盤螺冒崩掉現(xiàn)象。
　　四、應用舉例
　　1、試驗巷道地質(zhì)情況
　　劉橋一礦Ⅱ463外段機巷，以Ⅱ362鉆采集中機巷Jk點向前137m為中，按方位N233°跟三煤頂板施工平距157m后，跟四煤頂板施工，與Ⅱ463外段機巷直線貫通。巷道全長630m，其中跟三煤頂板施工157m，跟四煤頂板施工473m。
　　巷道圍巖特征：三煤煤厚平均1.03m，煤層上部有1~2可見煤線，頂板為細砂巖，灰白色，中厚層狀，致密堅硬，F(xiàn)=6~8，厚7~20m，局部有一層灰質(zhì)泥巖或泥巖偽頂，厚0.1~0.2m，不穩(wěn)定易冒落。底板（四煤頂板）為深灰色泥巖，厚2.6~6.6m。四煤煤厚平均2.2m，煤層上部有0.9~6.7m的復合頂板，1~3可見煤線，厚度為0.03~0.15m，頂板（三煤底板）為深灰色泥巖，厚2.6~6.6m。底板為粉砂質(zhì)泥巖，厚4.8m。
　　2、初始設計
　　1）跟三煤頂板施工階段
　　（1）類比設計
　　頂部：采用φ18mm—M20—1800mm型高強左旋無縱筋螺紋錨桿，錨桿間排距：800mm×900mm，每排5根呈矩形布置，配加3.6m長M型鋼帶、鋼笆網(wǎng)聯(lián)合支護，每根錨桿使用兩卷Z2350型樹脂錨固劑進行加長錨固。
　　幫部：采用WGSC20/20Jφ18mm—L2000mm型玻璃鋼錨桿，配加π型、鋼笆網(wǎng)聯(lián)合支護，800mm×900mm，幫部每排使用四根錨桿，每根錨桿使用兩卷Z2350型樹脂錨固劑。
　　網(wǎng)：6＃鋼筋焊接的方格網(wǎng)，規(guī)格為1000m×1000mm，網(wǎng)格：100mm×100mm，網(wǎng)間要壓茬連接。
　　錨索：選用φ15.24mm的高強度低松弛鋼絞線，錨索長度根據(jù)三、四煤層間距及三煤的厚度來確定，每根錨索使用3支Z2350型樹脂錨固劑，錨索托盤采用12號槽鋼加工成，長600mm，中間加焊100×100×10mm的鋼板，使用配套鎖具。錨索間排距為1600mm×1600mm。
　　（2）理論驗算：
　　①懸吊理論計算錨桿參數(shù)：
　　a、錨桿長度計算：L=KH+L1+L2
　　式中：L---錨桿長度，m；H---冒落拱高度，m；K---安全系數(shù)，取2；
　　L1----錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度,一般取0.4m；
　　L2----錨桿在巷道中的外露長度,一很取0.1m。
　　其中：H===0.53m
　　式中：B----巷道開掘?qū)挾龋��?.2m；
　　f----巖石堅固系數(shù)，砂巖取4。
　　則：L=2×0.53+0.4+0.1=1.56m
　　b、錨桿間距、排距計算：令錨桿間距、排距均為α，則
　　α=
　　式中：α----錨桿間排距，m；Q----錨桿設計錨固力，88.2KN/根
　　H--冒落拱高度，取2m；γ--被懸吊巖石的重力密度，取16.7KN/m3
　　K----安全系數(shù),取2。
　　α==1.3m
　　施工時取800mm。
　　通過以上計算，頂板錨桿選用直徑18mm，長度2200mm的左旋高強無縱筋螺紋錨桿，錨桿間排距800mm×900mm。
　　②按懸吊理論校核錨索排距：
　　根據(jù)地質(zhì)資料分析,巷道跟六層煤頂板施工,六煤頂板為：灰～深灰色粉砂巖，局部為泥巖，為防止巷道頂巖層發(fā)生大面積整體垮落，用φ15.24mm、長度為5.4m的鋼絞線，用錨索將錨桿加固的“組合梁”整體懸吊于堅硬巖層中，校核錨索間距，冒落方式按最嚴重的冒落高度考慮。此時靠巷道兩幫的角錨桿和錨索一起發(fā)揮懸吊作用，在忽略巖體粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力的條件下，取垂直方向力的平衡，可用下式計算錨索間距。
　　L=nF2/[BHγ-（2F1sinθ）/L1]
　　式中：L----錨索排距，m；
　　B----巷道最大冒落寬度，4.2m；
　　H----巷道最大冒落高度，按最嚴重冒落高度取4.0m；
　　γ----巖體容重，16.7KN/m3；
　　L1----錨桿排距，0.8m；
　　F1----錨桿錨固力，88.2KN；
　　F2----錨索極限承載力，230KN；
　　θ----角錨桿與巷道頂板的夾角，75°；
　　n----錨索排數(shù)，取1；
　　根據(jù)以上計算錨索排距必須小于2.7m，設計錨索間排距為1600mm×1600mm所選錨索參數(shù)滿足設計需要。
　　2）跟四煤頂板施工階段
　　①類比設計
　　頂部：采用φ18mm—M20—2200mm型高強左旋無縱筋螺紋錨桿，
　　錨桿間排距：800mm×800mm，每排5根呈矩形布置，配加3.6m長M型鋼帶、鋼笆網(wǎng)和錨索聯(lián)合支護。
　　幫部：上幫采用φ20mm—L1800mm右旋全螺紋錨桿；下幫采用WGSC20/20Jφ20mm—L2000mm型玻璃鋼錨桿。間排距：600mm×600mm，配加π型、鋼笆網(wǎng)聯(lián)合支護。
　　網(wǎng)：6＃鋼筋焊接的方格網(wǎng)，規(guī)格為1000m×1000mm，網(wǎng)格：100mm×100mm，網(wǎng)間要壓茬連接。
　　錨索：選用φ15.24mm的高強度低松弛鋼絞線，錨索長度根據(jù)三、四煤層間距及三煤的厚度來確定，每根錨索使用3支Z2350型樹脂錨固劑，錨索托盤采用12號槽鋼加工成，長600mm，中間加焊100×100×10mm的鋼板，使用配套鎖具。錨索間排距為1600mm×1600mm。
　　②理論驗算
　　①懸吊理論計算錨桿參數(shù)：
　　a、錨桿長度計算：L=KH+L1+L2
　　式中：L---錨桿長度，m；H---冒落拱高度，m；K---安全系數(shù)，取2；
　　L1----錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度,一般取0.4m；
　　L2----錨桿在巷道中的外露長度,一很取0.1m。
　　其中：H===0.7m
　　式中：B----巷道開掘?qū)挾龋��?.2m；
　　f----巖石堅固系數(shù)，砂巖取3。
　　則：L=2×0.7+0.4+0.1=1.9m
　　b、錨桿間距、排距計算：令錨桿間距、排距均為α，則
　　α=
　　式中：α----錨桿間排距，m；Q----錨桿設計錨固力，88.2KN/根
　　H--冒落拱高度，取3m；γ--被懸吊巖石的重力密度，取16.7KN/m3
　　K----安全系數(shù),取2。
　　α==0.88m
　　施工時取800mm。
　　通過以上計算，頂板錨桿選用直徑18mm，長度2200mm的左旋高強無縱筋螺紋錨桿，錨桿間排距800mm×800mm。
　　②按懸吊理論校核錨索排距：
　　根據(jù)地質(zhì)資料分析,巷道跟六層煤頂板施工,六煤頂板為：灰～深灰色粉砂巖，局部為泥巖，為防止巷道頂巖層發(fā)生大面積整體垮落，用φ15.24mm、長度為5.4m的鋼絞線，用錨索將錨桿加固的“組合梁”整體懸吊于堅硬巖層中，校核錨索間距，冒落方式按最嚴重的冒落高度考慮。此時靠巷道兩幫的角錨桿和錨索一起發(fā)揮懸吊作用，在忽略巖體粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力的條件下，取垂直方向力的平衡，可用下式計算錨索間距。
　　L=nF2/[BHγ-（2F1sinθ）/L1]
　　式中：L----錨索排距，m；
　　B----巷道最大冒落寬度，5m；
　　H----巷道最大冒落高度，按最嚴重冒落高度取4.0m；
　　γ----巖體容重，16.7KN/m3；
　　L1----錨桿排距，0.8m；
　　F1----錨桿錨固力，88.2KN；
　　F2----錨索極限承載力，230KN；
　　θ----角錨桿與巷道頂板的夾角，75°；
　　n----錨索排數(shù)，取1；
　　根據(jù)以上計算錨索排距必須小于2.3m，設計錨索間排距為1600mm×1600mm所選錨索參數(shù)滿足設計需要。
　　3、施工中的錨桿支護參數(shù)動態(tài)優(yōu)化
　　1）調(diào)整幫錨桿：礦壓監(jiān)測表明，兩幫位移較小，穩(wěn)定性較好時，跟三煤頂板施工時錨桿長度由2m減少至1.8m，間距由800mm增大到900mm。
　　2）調(diào)整錨索的間排距：初期為了使煤層巷道安全有保證，錨索設計為矩形布置，間排距為1600mm×1600mm，根據(jù)實測頂板位移及實際揭露巖性，頂板下沉不大時，錨索排距1600mm改為2400mm，或者將錨索同時改成單線型或五花型布置。根據(jù)頂板中部錨桿受力明顯過大、而兩幫部頂板錨桿發(fā)揮效能卻很低的桿體受力測試結(jié)果，將錨索的間距由2400mm調(diào)整為1600mm，按中線對稱布置。
　　調(diào)整錨索的長度或更改直徑：施工過程中，錨索長度根據(jù)三、四煤層間距及三煤的厚度來確定。對于頂板淋水，造成泥巖膨脹和強度弱化的頂板，可試圖采用Φl8mm錨索加強。
　　4）調(diào)整頂部鋼帶(錨桿)排距：在直接頂條件較好時，將鋼帶排距增大至900mm。
　　5）特殊情況：當巷道施工中遇到大的地質(zhì)條件變化時及時進行調(diào)整，如遇斷層時應改為工字鋼架棚支護；如遇頂板破碎時應沿巷中打一排走向挑棚，以確保巷道施工安全；當頂板離層值超過120mm時，應及時打走向挑棚或架工字鋼棚加固。
　　4、礦壓監(jiān)測
　　為保證巷道的安全施工，驗證錨桿支護參數(shù)是否合理，必須對巷道的位移穩(wěn)定性進行觀測。
　　1）測站布置
　　頂板離層儀測點布置：由于三、四煤的頂板地質(zhì)條件不同，其中跟三煤頂板施工段，每100m安裝一個頂板離層儀，共建2個頂板離層測站；跟四煤頂板施工段，每40m安裝一個頂板離層儀，共建12個頂板離層測站；
　　巷道表面位移測點布置：由于三、四煤的頂板地質(zhì)條件不同，其中跟三煤頂板施工段，每100m建一個巷道位移測站，共建2個巷道位移測站；跟四煤頂板施工段，每40m建一個巷道位移測站，共建12個巷道位移測站。
　　2）監(jiān)測分析
　　①頂板離層分析
　　跟三煤頂板施工段，離層值最大的是二號離層儀，總離層值為9mm，錨固區(qū)外離層值為6mm，錨固區(qū)內(nèi)離層值為3mm，在離層儀安裝后1—19d頂板離層速度最大，20d后趨于穩(wěn)定。
　　跟四煤頂板施工段，離層值最大的是十三號離層儀，總離層值為70mm，錨固區(qū)外離層值為30mm，錨固區(qū)內(nèi)離層值為40mm，在離層儀安裝后2—27d頂板離層速度最大，29d后趨于穩(wěn)定。從現(xiàn)場巷道頂板情況可看出，該離層儀前后20m范圍內(nèi)巷道頂板比較破碎，是導致巷道頂板離層值較大的主要原因。
　　②巷道表面位移觀測分析
　　跟三煤頂板施工段，位移量較大的是二號位移測站，巷道頂?shù)孜灰屏繛?85mm，在1—20d內(nèi)頂?shù)孜灰扑俣容^快，25d后趨于穩(wěn)定。巷道兩幫位移量為275mm，在1—35d內(nèi)兩幫位移速度較快，38d后趨于穩(wěn)定。巷道位移變化規(guī)律：因三煤頂板為細砂巖較堅硬，底板為泥巖和四煤較軟，故頂?shù)孜灰屏恐饕�以底板底鼓變形為主，兩幫變形量以巷道高幫為主�?br /> 　　跟四煤頂板施工段，在該段巷道內(nèi)建12個位移觀測站，其中頂?shù)孜灰屏孔畲蟮氖蔷盘栁灰茰y站，頂?shù)孜灰屏繛?35mm，在1—18d內(nèi)頂?shù)孜灰扑俣容^快，21d后趨于穩(wěn)定。巷道兩幫位移量最大的是八號位移測站，兩幫位移量為346mm，在1—30d內(nèi)兩幫位移速度較快，34d后趨于穩(wěn)定。
　　通過以上分析可知，Ⅱ463外段機巷跟三煤頂板施工段、跟四煤頂板施工段的頂板離層量和巷道位移量均未超過允許范圍，能有效地控制巷道的變形，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，說明巷道支護設計中所選擇的支護參數(shù)是合理可行的。
　　五、結(jié)語
　　1、復合頂板下的錨桿支護應因地制宜，根據(jù)巷道內(nèi)復合頂?shù)暮穸炔煌�以及巖性的差異來靈活確定錨桿支護的方式和密度。
　　2、在復合頂板淋水的特殊地段，巷道易片幫，頂板易破碎、離層、冒落，巷道掘進工作面環(huán)境較惡劣，錨桿、錨索孔淋水，影響了錨桿、錨索支護質(zhì)量，使支護難度增大，影響了巷道掘進速度。
　　3、對于頂板淋水的地段，頂板因淋水造成泥巖膨脹和強度弱化，并對錨桿、錨索有腐蝕破壞作用，為加強錨索錨固強度，保證巷道支護質(zhì)量，在以后的施工過程中建議采用Φl8mm錨索加強。
　　4、錨梁網(wǎng)巷道支護技術是解決復合頂板條件下巷道支護的一條有效途徑，可供參考。
　　5、目前的錨桿錨索施工質(zhì)量的檢測技術有待進一步提高，目前大多的傳統(tǒng)檢測手段基本上都停留在有損檢測階段。