摘要：煤巷錨桿支護在實際施工中，經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量問題進行了闡述，取的了較好的效果。
　　關鍵詞：復合頂板；監測；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，層間粘結力弱，暴露易發生離層，支護不良時還可能發生大面積垮落事故。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底版移近量大，支架損壞嚴重，造成前掘后修的現象，嚴重影響安全生產。
　　為解決這一施工難題，在現階段的技術條件下，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，是不符合復合頂的復雜性和多變性支護要求的，只有因地制宜，根據現場的復合頂板的狀況，采用不同參數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動態變化試驗研究，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、抗剪強度的優越性發揮出來。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。
　　2）錨索的作用
　　錨索形成穩定承載體，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、結構穩定的承載體。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能力。
　　3）金屬網的作用
　　金屬網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，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合的方法，在組織施工過程中，靈活運用支護參數動態設計法，對初始設計予以修正
　　1、設計方法：
　　1）工程類比法：根據要設計巷道的地質條件，通過類比相似地質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）支護參數動態設計法：核心是頂板巖層結構探測與支護后頂板變形監測和穩定性預測技術，采用打錨索孔或地質探測孔的方法探測頂板的巖層結構，根據探測結果，優化、調整支護參數。隨著掘進面的推進，動態監測頂板的巖層變化趨勢，根據探測的結果及時發現隱患．并修改和調整待掘進區域設計。消除對圍巖條件變化反應滯后的現象，對每個區域都能根據最新的實時反饋信息，得到符合實際的錨桿支護參數。確保支護安全可靠，經濟合理，技術可行，取得了良好支護效果。
　　2、設計內容：①錨桿、錨索間排距及長度；②支護材料選擇。
　　3、設計流程：①錨桿支護參數初始設計；②現場施工組織；③頂板巖層結構的動態探測；④支護效果監測；⑤參數修改，完善錨桿支護設計。
　　4、礦壓觀測及優化支護參數
　　1）觀測內容包括：頂板離層儀內外離層、巷道表面位移、頂板鉆孔窺探儀觀測
　　2）支護參數優化：根據礦壓信息，不斷修正設計，循環往復最后達到參數的最優化。同時對支護后的巷道頂板進行變形監測，預測頂板危險區域，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，煤就已經塌幫。
　　1）鋼筋網全封閉支護針對巷道施工過程中經常出現掉渣空肩現象，為有效地對圍巖起到保護和支撐作用，能更好地把頂網和幫網連接成一個整體，增強了鋼筋網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，普通的鋼筋網網格較大，煤容易外漏，在鋼筋網內充填塘材笆片，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象。
　　四、應用舉例
　　1、試驗巷道地質情況
　　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=6~8，厚7~20m，局部有一層灰質泥巖或泥巖偽頂，厚0.1~0.2m，不穩定易冒落。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、鋼笆網聯合支護，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、鋼笆網聯合支護，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：6＃鋼筋焊接的方格網，規格為1000m×1000mm，網格：100mm×100mm，網間要壓茬連接。
　　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：
　　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，取2；
　　L1----錨桿錨入穩定巖層的深度,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----巷道開掘寬度，取4.2m；
　　f----巖石堅固系數，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,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：
　　根據地質資料分析,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揮懸吊作用，在忽略巖體粘結力和內摩擦力的條件下，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，取1；
　　根據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、鋼笆網和錨索聯合支護。
　　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、鋼笆網聯合支護。
　　網：6＃鋼筋焊接的方格網，規格為1000m×1000mm，網格：100mm×100mm，網間要壓茬連接。
　　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：
　　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，取2；
　　L1----錨桿錨入穩定巖層的深度,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----巷道開掘寬度，取4.2m；
　　f----巖石堅固系數，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,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：
　　根據地質資料分析,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揮懸吊作用，在忽略巖體粘結力和內摩擦力的條件下，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，取1；
　　根據以上計算錨索排距必須小于2.3m，設計錨索間排距為1600mm×1600mm所選錨索參數滿足設計需要。
　　3、施工中的錨桿支護參數動態優化
　　1）調整幫錨桿：礦壓監測表明，兩幫位移較小，穩定性較好時，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。根據頂板中部錨桿受力明顯過大、而兩幫部頂板錨桿發揮效能卻很低的桿體受力測試結果，將錨索的間距由2400mm調整為1600mm，按中線對稱布置。
　　調整錨索的長度或更改直徑：施工過程中，錨索長度根據三、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條件變化時及時進行調整，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、礦壓監測
　　為保證巷道的安全施工，驗證錨桿支護參數是否合理，必須對巷道的位移穩定性進行觀測。
　　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，錨固區外離層值為6mm，錨固區內離層值為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，錨固區外離層值為30mm，錨固區內離層值為40mm，在離層儀安裝后2—27d頂板離層速度最大，29d后趨于穩定。從現場巷道頂板情況可看出，該離層儀前后20m范圍內巷道頂板比較破碎，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，巷道頂底位移量為185mm，在1—20d內頂底位移速度較快，25d后趨于穩定。巷道兩幫位移量為275mm，在1—35d內兩幫位移速度較快，38d后趨于穩定。巷道位移變化規律：因三煤頂板為細砂巖較堅硬，底板為泥巖和四煤較軟，故頂底位移量主要以底板底鼓變形為主，兩幫變形量以巷道高幫為主。
　　跟四煤頂板施工段，在該段巷道內建12個位移觀測站，其中頂底位移量最大的是九號位移測站，頂底位移量為235mm，在1—18d內頂底位移速度較快，21d后趨于穩定。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內兩幫位移速度較快，34d后趨于穩定。
　　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，提高巷道圍巖的穩定性，說明巷道支護設計中所選擇的支護參數是合理可行的。
　　五、結語
　　1、復合頂板下的錨桿支護應因地制宜，根據巷道內復合頂的厚度不同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，巷道掘進工作面環境較惡劣，錨桿、錨索孔淋水，影響了錨桿、錨索支護質量，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，保證巷道支護質量，在以后的施工過程中建議采用Φl8mm錨索加強。
　　4、錨梁網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量的檢測技術有待進一步提高，目前大多的傳統檢測手段基本上都停留在有損檢測階段。