煤巷頂板離層控制理論及實(shí)踐

1、本文首先提出極易離層破碎型煤巷頂板的概念，分析了該類頂板的兩種垮冒現(xiàn)象及對(duì)應(yīng)的兩類錨桿支護(hù)失穩(wěn)形式，進(jìn)而提出基于高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)的頂板離層控制原理和新型高性能頂板控制技術(shù)，最后通過(guò)幾種典型類別煤巷的工程應(yīng)用示例作進(jìn)一步說(shuō)明。 1引言煤礦層狀賦存的頂板巖體結(jié)構(gòu)中，煤巷較上部一層至數(shù)層厚度大、強(qiáng)度高的堅(jiān)硬巖層不受巷道開挖影響，一般能夠自穩(wěn)，不需人工支護(hù)。而煤層及其頂?shù)装宥嗍菑?qiáng)度低、厚度小的薄層狀巖層組成，當(dāng)頂板軟弱巖層較薄時(shí)適用懸吊理論，用錨桿將薄層軟巖錨固在堅(jiān)硬巖層上即可以保證安全，這種條件在美、澳等國(guó)外先進(jìn)采礦國(guó)家比較普遍，因而煤巷錨桿使用比重較高。但我國(guó)煤層賦存條件復(fù)雜多樣，多數(shù)條件

2、頂板軟弱層較厚，松動(dòng)破碎區(qū)范圍大，懸吊理論不適用，支護(hù)困難較大。以兩淮礦區(qū)為例，大部分煤層頂板是由多層松軟巖層和煤線組成的復(fù)合破碎頂板，比如淮南礦區(qū)13槽、11槽和6槽煤層，淮北臨渙煤田7#、8#、9#煤層，宿縣礦區(qū)8#煤層內(nèi)廣泛分布的頂板具有如下賦存特點(diǎn)：1）頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟弱夾層和層理十分發(fā)育，掘后頂板破碎范圍大，空頂自穩(wěn)時(shí)間短，極易發(fā)生離層垮冒。2）煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多數(shù)煤層含有硬度系數(shù)僅為軟弱煤線；煤體松散破碎，煤層硬度系數(shù)低于，錨固性能差。3）采深普遍達(dá)到500600 m，部分進(jìn)入800 m以下。4）煤層賦存狀態(tài)頻繁變化，構(gòu)造影響隨處可見(jiàn)、隨時(shí)可遇，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力十分突出，水平應(yīng)力的作用顯

3、現(xiàn)明顯。5）高瓦斯礦區(qū)，通風(fēng)斷面要求大，巷道跨度大。6）頂板裂隙水發(fā)育，泥化嚴(yán)重。我們稱這類頂板為離層破碎型頂板，該類頂板累計(jì)不穩(wěn)定層厚很大，常常達(dá)到5.010.0 m以上，受巷道空間限制錨桿長(zhǎng)度一般不能超過(guò)3.0 m，該種條件采用高強(qiáng)樹脂錨桿后，錨固區(qū)巖體得到有效加固，但整個(gè)錨固區(qū)仍處于不穩(wěn)定范圍內(nèi)，即錨桿支護(hù)能限制錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)巖體的變形，消除錨固區(qū)內(nèi)離層，并產(chǎn)生很大的支護(hù)抗力，但避免不了在錨桿長(zhǎng)度以外的頂板弱面離層，進(jìn)而導(dǎo)致垮冒，頂板的安全可靠性很低。長(zhǎng)期以來(lái)該類煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)沒(méi)有突破，通常只能采用U型鋼拱形可縮支架和礦工鋼梯形支架支護(hù)，但支護(hù)效果很差，不能滿足安全生產(chǎn)的基本要求。選擇

4、離層破碎型煤巷頂板的控制理論和關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行研究，不僅可以解決該類煤巷的支護(hù)技術(shù)難題，同時(shí)可以推動(dòng)我國(guó)煤礦頂板控制技術(shù)的突破，大大改善煤礦安全狀況，推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。 離層破碎型煤巷頂板的失穩(wěn)表現(xiàn)為向上漸次垮冒的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，煤巷采用以錨桿為基礎(chǔ)的支護(hù)形式時(shí)，其頂板的穩(wěn)定性取決于錨固區(qū)內(nèi)外的離層狀況。有些礦區(qū)單純從提高錨桿的規(guī)格和加大使用密度的支護(hù)思想出發(fā)，成本增加很大，但仍不能從根本上控制頂板垮冒事故。實(shí)際上，絕大多數(shù)煤巷支護(hù)失效表現(xiàn)為錨固區(qū)整體垮冒，其中錨桿受力很小，幾乎沒(méi)有桿體破斷現(xiàn)象，因此錨固區(qū)外的弱面離層是煤巷采用錨桿支護(hù)技術(shù)面臨的一大挑戰(zhàn)。80年代以來(lái)，煤層頂板控制理論發(fā)展很快，

5、除了傳統(tǒng)的懸吊理論、組合梁（拱)理論以外，提出了“最大水平應(yīng)力理論”、“圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論”、“剛性梁理論”等新理論，對(duì)煤層頂板的破壞原因、破裂巖體的錨固規(guī)律及影響因素、支護(hù)預(yù)緊力的作用機(jī)理等都做了較深入的分析，這些成果為課題組提出頂板預(yù)應(yīng)力控制思想和離層控制理論起到了很好的借鑒作用。頂板離層控制理論和結(jié)構(gòu)分析就是基于對(duì)水平地應(yīng)力和錨桿預(yù)應(yīng)力作用深入認(rèn)識(shí)，從分析冒頂特征和支護(hù)失效的原因出發(fā)，提出的新控制理論。結(jié)合兩淮礦區(qū)的條件，課題組跟蹤調(diào)研了國(guó)內(nèi)煤礦的一些典型冒頂現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為兩種：隨巷道掘進(jìn)開挖出現(xiàn)臨空自由面，應(yīng)力重新分布，軟弱圍巖必然出現(xiàn)破壞，并形成一定范圍的松動(dòng)區(qū)，而目前的所有支護(hù)都有

6、一定的滯后性，因此頂板表層軟弱巖體的冒落是不可避免的，我們稱之為松脫型垮冒，其范圍一般在0.5內(nèi)，產(chǎn)生的負(fù)荷一般在1525 kN/m2以內(nèi)。目前常用的頂板控制方式為架棚支護(hù)和普通高強(qiáng)錨桿支護(hù)，由于架后空虛，棚式支護(hù)架設(shè)之初對(duì)頂板松動(dòng)巖體沒(méi)有任何作用，而“九五”期間形成的錨桿支護(hù)技術(shù)更多地強(qiáng)調(diào)了錨桿支護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度，其初錨力仍很低，一般僅能達(dá)到5kN/根，尚不足以平衡松脫巖體重量，因此這兩種低初始支護(hù)力的支護(hù)形式不能阻止松動(dòng)范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，不能防止松脫型冒頂，直到松動(dòng)破壞巖體充滿架后空區(qū)支架才起作用，或圍巖碎脹變形充分后錨桿才被動(dòng)承載。松動(dòng)范圍的加大減少了有效錨固厚度，在水平應(yīng)力和自重應(yīng)力雙重作

7、用下，錨固區(qū)發(fā)生彎曲變形，上位弱面受水平剪切破壞，層間位移導(dǎo)致弱面離層，錨固區(qū)變形持續(xù)發(fā)展直至垮冒，我們稱之為擠壓型垮冒。第一種冒頂主要是破裂巖體在自重作用下發(fā)生的，第二種冒頂則主要是頂板次生水平應(yīng)力的作用效應(yīng)。 a) 松脫型垮冒 b) 擠壓型垮冒圖1 煤巷頂板的兩種垮冒型式相應(yīng)地，支護(hù)的失效表現(xiàn)為兩種情況：松脫型垮冒得不到控制，錨固區(qū)產(chǎn)生裂隙，錨固強(qiáng)度衰減，進(jìn)而導(dǎo)致錨固區(qū)整體穩(wěn)定性的削弱或破壞，稱之為錨固區(qū)內(nèi)離層；錨固區(qū)本身的完整性較好，但整體變形過(guò)大，不能阻止向上的漸進(jìn)破壞，導(dǎo)致外層弱面離層，稱之為錨固區(qū)外離層。錨固區(qū)外離層的持續(xù)發(fā)展將導(dǎo)致錨固區(qū)整體垮冒，如圖2。兩淮礦區(qū)的典型煤層頂板在掘

8、進(jìn)時(shí)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的冒頂傾向，根據(jù)頂板破碎程度、最大完整層厚度不同而表現(xiàn)出不同的空頂自穩(wěn)時(shí)間。通常掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺一般都要求在1.0 m以內(nèi)，支護(hù)稍微遲緩，便會(huì)冒頂。首先表現(xiàn)為松脫型冒頂，隨后由于支護(hù)的能效過(guò)低、圍巖持續(xù)變形發(fā)展為錨固區(qū)外離層的擠壓型冒頂。     圖2 錨固區(qū)整體垮冒如前所述，錨桿安裝之初對(duì)圍巖的作用與支護(hù)體系的強(qiáng)度關(guān)系不大，主要取決于錨桿預(yù)緊力的大小，已有的技術(shù)更多地強(qiáng)調(diào)了錨桿材料的強(qiáng)度，而忽視了錨桿的實(shí)際能效，這里定義錨桿的支護(hù)能效W為錨桿載荷F與圍巖變形量的乘積。如下圖3為淮南謝橋煤礦煤巷錨桿載荷實(shí)測(cè)曲線，由圖3可見(jiàn)，錨桿預(yù)緊力

9、的提高不僅會(huì)改善錨桿的增阻速度，同時(shí)對(duì)錨桿的最終載荷影響很大，也就是說(shuō)不同的預(yù)緊力產(chǎn)生了不同的錨桿工作曲線。由此說(shuō)明提高錨桿預(yù)拉力和增加錨桿強(qiáng)度是同樣重要的，它也是將錨桿預(yù)拉力作為最重要支護(hù)參數(shù)開展支護(hù)設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化的理論依據(jù)。當(dāng)錨桿預(yù)緊力小于松脫巖體重量時(shí)，松動(dòng)范圍進(jìn)一步發(fā)展，向上漸次松動(dòng)，錨固區(qū)巖體逐漸破壞，產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致支護(hù)失效；當(dāng)錨桿預(yù)緊力大于松脫巖體重量時(shí)，則克服了這個(gè)缺陷。因此，課題組提出高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)的概念，不僅強(qiáng)調(diào)支護(hù)材料本身的強(qiáng)度、錨桿與圍巖的錨固強(qiáng)度，同時(shí)注重支護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)的初始支護(hù)力，即支護(hù)的預(yù)應(yīng)力水平。圖3 煤巷錨桿載荷實(shí)測(cè)曲線離層破碎型煤巷掘進(jìn)時(shí)，復(fù)合頂板通常有0.51

10、.5 m厚的松動(dòng)層(頂板煤巖互層)隨掘隨冒，有時(shí)受端頭效應(yīng)影響處于潛在冒落狀態(tài)，打眼等微小的施工擾動(dòng)都可能誘發(fā)垮冒。其負(fù)荷大致為1525 kN/m2，采用人工擰緊螺母的方式安裝的普通高強(qiáng)錨桿初始徑向支護(hù)力一般低于10 kN，這種低初錨力的支護(hù)尚不足于平衡松動(dòng)巖體自重，更談不上有效地控制弱面離層，因而不能形成有效的主動(dòng)支護(hù)，常常難以避免圖2所示的錨固區(qū)整體垮冒的失穩(wěn)形式。高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)則針對(duì)復(fù)合頂板的漸進(jìn)離層垮冒過(guò)程，充分調(diào)動(dòng)圍巖自身的穩(wěn)定性和巷道特殊的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，控制頂板的兩類離層和垮冒，支護(hù)效果和安全狀況隨之大大改善。其基本原理如下圖4所示，包括如下幾點(diǎn)：   &

11、#160;    圖4頂板離層控制原理圖1) 通過(guò)提高錨桿的初始徑向張力，及時(shí)將松脫區(qū)巖體與上位巖體擠壓加固在一起，阻止頂板巖石松脫范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。2) 增大錨固范圍，形成有效的加固厚度，提高錨固區(qū)巖體的強(qiáng)度和抗剪剛度，消除頂板的漸次離層和垮冒。并對(duì)深部圍巖提供側(cè)向約束，維護(hù)錨固區(qū)外圍巖弱面自身的力學(xué)性能，調(diào)動(dòng)深部圍巖的自身強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 3) 當(dāng)錨固范圍達(dá)到穩(wěn)定巖層，并具有足夠的強(qiáng)度時(shí)，即能保持頂板的安全；當(dāng)頂板不穩(wěn)定層厚很大，錨固范圍不能達(dá)到深部穩(wěn)定巖層區(qū)時(shí)，利用巷道上幫角的圍巖擠壓區(qū)，建立強(qiáng)化承載結(jié)構(gòu)，形成向上的反力矩，平衡水平應(yīng)力對(duì)頂板巖層的破

12、壞作用，同時(shí)也預(yù)防頂板錨固結(jié)構(gòu)失效時(shí)的突發(fā)垮冒。通常在頂板不穩(wěn)定層厚超過(guò)56m，錨索加固范圍難以達(dá)到穩(wěn)定巖層時(shí)采用這種結(jié)構(gòu)，頂板十分破碎，錨固效果不可靠時(shí)，也適宜使用這種護(hù)頂結(jié)構(gòu)。2. 3開展層狀頂板圍巖結(jié)構(gòu)分析，提出幾種承載結(jié)構(gòu)形式及穩(wěn)定性分析方法高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)不僅改善頂板的應(yīng)力狀態(tài)，消除頂板中部的拉應(yīng)力區(qū)，同時(shí)減弱兩個(gè)頂角的剪切應(yīng)力集中程度；而且通過(guò)強(qiáng)化頂板弱面，消除拉伸破壞，控制圍巖弱化區(qū)的發(fā)展，使錨固區(qū)載荷趨于均勻并實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳遞，從而形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。根據(jù)頂板巖層結(jié)構(gòu)特征和開采環(huán)境的不同，提出不同的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)形式如下：第一種：關(guān)鍵巖梁結(jié)構(gòu)，適用于較薄復(fù)合頂板、關(guān)鍵層距頂板較近的條

13、件；該種結(jié)構(gòu)只需要加大錨固范圍，并分析關(guān)鍵巖層和下位巖體間的合理連接強(qiáng)度。 第二種：強(qiáng)化承載拱結(jié)構(gòu)，適用于厚層復(fù)合頂板、關(guān)鍵層較遠(yuǎn)的條件；不僅需要建立具有一定強(qiáng)度的整體錨固圈層，同時(shí)必須建立該錨固圈與外圍承載拱的關(guān)系。考慮巷道頂板中部拉伸和肩角剪切破壞的穩(wěn)定性判據(jù)為：； 第三種：留小煤柱沿空掘巷的大小結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析。針對(duì)留小煤柱沿空掘巷特殊的圍巖條件，應(yīng)用關(guān)鍵層理論和數(shù)值計(jì)算分析方法提出大小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本論點(diǎn)：沿空掘巷上覆巖體“關(guān)鍵塊體結(jié)構(gòu)”無(wú)論在巷道掘進(jìn)前、掘進(jìn)時(shí)、掘進(jìn)后均可以保持穩(wěn)定；在本區(qū)段工作面回采時(shí)，頂板的關(guān)鍵三角板雖然有一定程度的回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動(dòng)，但不會(huì)失穩(wěn)，即大結(jié)構(gòu)是可以自穩(wěn)的，這

14、對(duì)保持沿空掘巷的穩(wěn)定性提供了先決的外部條件，這一結(jié)論為為留小煤柱沿空掘巷的可行性分析和合理留設(shè)煤柱提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。合理地選擇煤柱尺寸能夠保證大結(jié)構(gòu)下的沿空掘巷頂板壓力顯現(xiàn)較小，支護(hù)的關(guān)鍵是保持頂板巖層的整體性，采用錨桿支護(hù)時(shí)需要提供足夠的預(yù)緊力和一定的加固厚度。 3高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)提高支護(hù)產(chǎn)品技術(shù)性能的主要途徑是研究新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)，使其適應(yīng)煤巷破碎圍巖條件，提高錨桿支護(hù)能效?；陔x層控制理論，本課題提出煤巷高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)，它是指安裝時(shí)形成有效約束頂板弱面并消除頂板離層的高強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)。這是有別于低強(qiáng)度低初錨力的傳統(tǒng)錨桿支護(hù)和高強(qiáng)度低初錨力的高強(qiáng)錨桿支護(hù)的一個(gè)相對(duì)的階段性概念，是錨桿類支

15、護(hù)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新階段，這里為區(qū)別初錨力的傳統(tǒng)概念，把安裝時(shí)超過(guò)頂板松動(dòng)巖層自重并形成預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)效應(yīng)的錨桿初始徑向作用力叫錨桿預(yù)拉力。近幾年高性能錨桿等新型支護(hù)手段的研制和應(yīng)用、大扭矩鉆機(jī)的開發(fā)和推廣等相關(guān)技術(shù)正是按照這一思路迅速發(fā)展的。該技術(shù)從根本上解決了支護(hù)主動(dòng)性的問(wèn)題，克復(fù)了高強(qiáng)錨桿支護(hù)使用中存在的主要安全和技術(shù)缺陷，并初步形成高預(yù)拉力、高可靠性和大間排距的新技術(shù)特征。主要包括新型高性能預(yù)拉力錨桿和M型鋼帶兩項(xiàng)新產(chǎn)品，通常組合成錨帶網(wǎng)支護(hù)形式。1) 新型高性能預(yù)拉力錨桿針對(duì)我國(guó)目前錨桿加工、使用中存在的缺陷和問(wèn)題，從錨桿桿體材質(zhì)及表面結(jié)構(gòu)的選擇、錨桿快速安裝螺母的研制、絲扣加工及技術(shù)

16、要求、提高錨桿預(yù)拉力的措施等幾個(gè)方面研制新型錨桿的結(jié)構(gòu)和性能，并明確提出高性能錨桿的概念，規(guī)范了新型錨桿6個(gè)方面的技術(shù)性能及加工要求。（1）采用優(yōu)質(zhì)無(wú)縱筋左旋螺紋鋼加工，其強(qiáng)度和延伸率都符合高強(qiáng)度錨桿對(duì)材質(zhì)的要求，材質(zhì)優(yōu)良，取材方便，桿體表面凸紋能夠滿足攪拌阻力和錨固要求，不必二次加工；（2）外端螺紋部采用等強(qiáng)度或增強(qiáng)加工新工藝，螺母、托盤、鋼帶等附件尺寸匹配、強(qiáng)度相當(dāng)；（3）配雙重墊圈，一個(gè)尼龍墊圈減少螺母和托盤的摩擦阻力，保證實(shí)現(xiàn)預(yù)拉力（初錨力），另一個(gè)凹形墊圈調(diào)整錨桿外端受力，改善螺母受力狀態(tài)；（4）扭矩螺母實(shí)現(xiàn)快速機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)；（5）通過(guò)墊圈變形這一醒目的標(biāo)志直觀顯示安裝施工質(zhì)量，并標(biāo)

17、定錨桿預(yù)拉力；（6）配套的新型附件性能優(yōu)越，包括M型托盤配套頂板M型鋼帶、槽型托盤配套幫用的型輕型帶鋼，用料省，整體力學(xué)性能好，它們都屬于更新?lián)Q代產(chǎn)品，有多種規(guī)格和多個(gè)系列。為了強(qiáng)調(diào)預(yù)拉力的作用，這種錨桿又稱高性能預(yù)拉力錨桿。該類錨桿比普通高強(qiáng)錨桿具有兩方面優(yōu)勢(shì)：1) 安裝可靠性高，能夠?qū)崿F(xiàn)高預(yù)拉力；M20規(guī)格的單套高性能預(yù)拉力錨桿破斷力180kN以上，預(yù)拉力達(dá)到2030kN；初始支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到3045kN/m2，在及時(shí)支護(hù)和短循環(huán)條件下都能夠超過(guò)初始松動(dòng)巖體重量形成的負(fù)荷。2) 通過(guò)扭矩螺母實(shí)現(xiàn)機(jī)械安裝，通過(guò)雙重減摩墊圈保證必需的預(yù)拉力，結(jié)合墊圈變形直接顯示安裝質(zhì)量，安裝質(zhì)量的顯性化大大方便了

18、現(xiàn)場(chǎng)施工管理，確保安全。 本技術(shù)不僅強(qiáng)調(diào)錨桿的強(qiáng)度，同時(shí)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)錨桿的預(yù)拉力、機(jī)械安裝及安全可靠性等綜合性能。實(shí)測(cè)表明高性能錨桿的支護(hù)能效系數(shù)是普通高強(qiáng)錨桿的34倍。從99年成功研制該類錨桿以來(lái)，已安全支護(hù)巷道130余萬(wàn)米，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化加工。 2)新型M型鋼帶國(guó)內(nèi)首次研制出新型M型鋼帶，與國(guó)外普遍采用并在我國(guó)廣泛推廣的W型鋼帶相比，該鋼帶具有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 其抗彎截面模量為W型鋼帶的3倍左右； 高翼緣形斷面，抗撕裂性好，解決了W型鋼帶在高低壓煤巷使用容易撕裂的缺陷； 兩個(gè)方向的截面模量差別大，向下截面模量是向上的倍，因此很容易與頂板密貼，同時(shí)向下截面模量很大，能有效控制錨桿間的圍巖松動(dòng)，維持

19、頂板預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)效應(yīng)。通過(guò)調(diào)整厚度，M型鋼帶已形成系列產(chǎn)品，可以適應(yīng)不同地質(zhì)條件、不同支護(hù)強(qiáng)度的要求。 由于鋼絞線不受巷道高度和尺寸限制，通過(guò)專用機(jī)具可以十分方便地在150 kN范圍內(nèi)調(diào)節(jié)預(yù)緊力，因此小孔徑鋼絞線預(yù)拉力錨索科學(xué)地調(diào)動(dòng)了深部圍巖的穩(wěn)定性和承載能力，在煤巷中應(yīng)用廣泛。雙錨索可以組合成預(yù)拉力錨索梁技術(shù)、雙斜拉錨索技術(shù)和幫部錨索加固技術(shù)，為頂板控制提供了新的選擇。在離層破碎頂板中大量使用錨索加固時(shí)，為了和預(yù)拉力錨桿匹配，一般應(yīng)采用低張、短錨、適當(dāng)滯后的錨索使用原則，即錨固范圍一般不宜超過(guò)5.08.0 m，預(yù)張力選定在6080 kN范圍內(nèi)，減少了錨索提前破斷的現(xiàn)象，弱化了錨索剛度過(guò)大、不適

20、應(yīng)圍巖變形的缺陷。為了實(shí)現(xiàn)鋼絞線與鉆孔的緊密匹配，并提高錨索的承載能力，18 mm、20 mm鋼絞線的錨索成套技術(shù)及裝備的應(yīng)用越來(lái)越多。3.3 高預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)針對(duì)頂板松動(dòng)范圍大，地質(zhì)異常帶等特殊地段，利用巷道圍巖變形規(guī)律，將處于受壓狀態(tài)的巷道兩肩窩深部巖體作為錨固點(diǎn)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，通過(guò)高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力鋼絞線傳遞張拉力，直接作用于頂板錨固區(qū)圍巖，有效控制厚層復(fù)合頂板離層。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接利用M型鋼帶作受力基礎(chǔ)，并由專用機(jī)具實(shí)現(xiàn)初張力，支護(hù)原理如圖5所示。高預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)是預(yù)防頂板垮冒、錨固區(qū)失效的可靠手段，設(shè)計(jì)的雙孔環(huán)形連接器可以十分方便地連接兩根鋼絞線，并方便機(jī)械張拉。如圖6

21、所示，施工工藝和張拉過(guò)程與小孔徑預(yù)拉力錨索完全一致。  頂板受壓區(qū)頂板受壓區(qū) 圖5 鋼絞線桁架支護(hù)原理 圖6 桁架連接裝置 4工程應(yīng)用示例41謝橋礦1212(3)以綜放面機(jī)巷謝橋礦1212(3)工作面位于西一采區(qū)西翼一區(qū)段，為一走向長(zhǎng)壁工作面，標(biāo)高-420m 460m。開采煤層為二迭系山西組13-1煤，煤層賦存較穩(wěn)定，煤厚，傾向180°5°，傾角°為半亮半暗型煤，煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，上部和底部各含一層泥巖夾矸，煤為塊狀和粉末狀。直接頂為砂質(zhì)泥巖和數(shù)層煤線互層，累厚普遍超過(guò)7.0。按照離層控制理論和高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)，確定該面順槽采用高性能預(yù)拉力錨帶

22、網(wǎng)索和鋼絞線預(yù)拉力桁架組合支護(hù)技術(shù)方案：1) 及時(shí)采用新型高預(yù)拉力錨桿加固巷道兩幫與頂板，克服松動(dòng)頂煤自重，并將其與上部巖層擠壓加固在一起，使巷道表面圍巖形成一個(gè)完整的整體，控制巷道基本變形；2) 高預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)及時(shí)強(qiáng)化頂板，利用上幫角內(nèi)部穩(wěn)定圍巖區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng)頂板錨固區(qū)，高強(qiáng)預(yù)張系統(tǒng)形成向上力矩防止頂板出現(xiàn)離層垮冒；3) 適當(dāng)滯后幾排采用小孔徑預(yù)拉力樹脂錨索進(jìn)一步增強(qiáng)頂板錨固范圍，進(jìn)一步強(qiáng)化頂板的預(yù)應(yīng)力水平，增強(qiáng)錨固層外弱面的力學(xué)性能，阻止離層。圖7 謝橋礦1212(3)綜放面實(shí)體巷道錨桿布置  圖8 謝橋礦1212(3)綜放面上順槽錨桿支護(hù)頂板離層曲線(跟底逮頂煤掘進(jìn)) a

23、) 掘后穩(wěn)定段； b)回采超前加強(qiáng)段圖9 謝橋礦1212(3)綜放面上順槽支護(hù)狀況(跟底逮頂煤掘進(jìn))試驗(yàn)表明，在富含軟弱夾層和弱面的厚層復(fù)合頂板條件下，松散變形及由沿弱面產(chǎn)生的離層垮冒是頂板的兩種主要失穩(wěn)形式。松散變形的有效控制取決于及時(shí)提供有效的徑向約束，即錨桿、錨索和桁架系統(tǒng)的預(yù)緊力，這需要錨桿最少提供2535kN/根的預(yù)緊力。沿錨固區(qū)外的弱面離層則通過(guò)錨索支護(hù)加大頂板錨固范圍，并依賴于桁架承載結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 42潘三煤礦1471(3)綜放工作面工業(yè)性試驗(yàn)為例介紹。該工作面開采13槽煤層，采深700m，頂板為較完整砂巖直覆，層厚3.0，實(shí)測(cè)該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)烈。掘巷時(shí)頂板平整，但在迎頭1030

24、m范圍開始出現(xiàn)頂板炸裂，形成與巷道軸向斜交的貫通裂縫，張開度達(dá)到535mm，采用高性能預(yù)拉力錨帶網(wǎng)和錨索梁組合支護(hù)。實(shí)測(cè)頂板中部錨桿載荷增速快，2天后錨桿載荷即達(dá)到5060kN，10天后錨桿液壓枕 （量程為100kN）壓壞；兩幫錨桿受力較小，一般穩(wěn)定在50kN以下。大量頂板靠?jī)蓭徒清^桿因受剪切力而破斷，但所有觀測(cè)都沒(méi)有及時(shí)地預(yù)報(bào)或揭示出來(lái)。結(jié)合錨桿(索)受力觀測(cè)、圍巖變形特征和錨桿剪斷現(xiàn)象可以定性看出，頂板錨桿受力較劇烈，中部軸向力普遍達(dá)到100kN左右，頂部?jī)山清^桿不僅受到軸向力的作用，還受到巨大的水平剪切力的作用，另外頂板錨索支護(hù)載荷也超過(guò)130kN，頂板錨桿支護(hù)系統(tǒng)的整體強(qiáng)度能夠基本滿足巷道圍巖壓力的要求，但富裕量已較小。在類似構(gòu)造應(yīng)力區(qū)增加錨索用量，基本支護(hù)采用槽鋼梁和預(yù)拉力錨桿、預(yù)應(yīng)力錨索混合交替布置，并錨索加強(qiáng)。2003年以后，錨索用鋼絞線由15mm提高到18mm，以進(jìn)一步增加支護(hù)強(qiáng)度，取得較好的效果。 a)預(yù)拉力錨帶網(wǎng)索組合支護(hù)； b)預(yù)拉力錨帶網(wǎng)索混合支護(hù)圖10 潘三離層型煤巷支護(hù)狀況43興隆莊礦4320綜放工作面兩巷支護(hù)興隆莊煤礦主采3號(hào)煤層產(chǎn)狀平緩，煤厚，傾角370，平均采深500m以上，綜放工作面兩巷道沿3號(hào)煤底板掘進(jìn)，頂部尚有5m多厚的煤層，另有