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【摘 要】通过分析小屯煤矿煤层及顶底板岩层特征，建立复合顶板煤巷顶板损伤力学模型，分析复合顶板煤巷顶板力学结构稳定原理，并研究埋深、巷道宽度、复合顶板强度参数以及损伤参数等因素对复合顶板煤巷围岩稳定性的影响规律，通过对比分析围岩控制效果，提出支护方案，进一步推进巷道掘进工艺技术发展的有益尝试，具有重要的理论价值和现实意义。
【关键词】复合顶板 锚杆 支护
一、概述
对于复合顶板煤巷，围岩的稳定控制的关键在于两个方面：一是控制复合顶板早期离层和大变形，采用高预应力锚杆及时支护，增强复合顶板的层间结合力，控制复合顶板离层；二是抑制顶、帮角等关键承载部位剪切破坏，采用强力锚杆支护提高提高帮角的抗剪能力。与其它岩层相比，复合顶板煤巷顶板极易离层、下沉，而两帮为强度小的煤体，在上覆岩层载荷作用下，两帮围岩破坏范围大，相当于极大地增加了复合顶板的宽度，复合顶板和两帮煤体相互作用，形成恶性循环，围岩条件进一步恶化，最终导致复合顶板煤巷失稳破坏，支护极为困难。
小屯煤矿16中03工作面平均埋深为280 m，煤层厚度稳定，平均为2.41 m，煤层倾角1～4°，为近水平煤层，煤层强度较小，为松软煤层，煤层上方为厚0.9 m、深灰色薄层状的泥岩，再上为厚1.76 m含1～2层夹矸的6上煤，共同组成6中煤直接顶，为复合顶板，直接底为厚0.95 m、深灰色较破碎、遇水极易软化膨胀的泥岩和厚0.47 m、黑色块状的W24煤，围岩整体强度小，16中03工作面运输巷掘进后，复合顶板早期离层、下沉量大，两帮剧烈移近，底鼓量大，巷道极难维护。
二、锚杆支护参数的确定
基于复合顶板煤巷围岩控制技术，初选多种支护方案，运用非线性有限差分软件FLAC3D进行数值模拟分析比较，分析各种支护方案对巷道围岩变形控制效果，根据控制围岩效果好、支护成本低、施工速度快的原则，确定了16中03工作面运输巷道的锚杆支护参数。
（一）支护模型的确定
根据生产地质条件，确定16中03工作面运输巷数值计算模型如图2-1所示。在该模型的基础上研究在不同支护方案下，复合顶板煤巷顶板下沉量、底鼓量、两帮变形量的变形规律，从而选择最优的支护参数，
（二）锚杆支护参数确定
1.锚杆直径
为有效地控制巷道围岩的变形和离层，锚杆必须给围岩可靠的支护阻力。当锚杆材质一定时，支护阻力的大小与杆体半径的平方成正比。另一方面我国煤矿普遍使用的锚孔直径为28 mm，适用的锚杆直径为18～24 mm。考虑施工机具因素，确定锚杆直径为20 mm，能满足高锚固力、节约材料、施工方便的要求。
2.顶锚杆长度
为确定合理的顶锚杆长度，在进行数值模拟时，锚杆间排距均为800mm，帮锚杆参数为Φ20mmL2000mm，顶锚杆参数为Φ20mm，锚索参数为Φ17.8mmL7000mm，锚索间排距分别为1600mm和2400mm。通过改变顶锚杆长度，研究分析不同顶锚杆长度对巷道围岩变形的影响，进而确定合理的顶锚杆长度，通过数值模拟计算，随着顶锚杆长度的加长，围岩表面位移不断减小，当顶锚杆的长度从1.8m增加到2.4m，顶板下沉量减小了18.69mm，底鼓量减小24.62mm。因此，考虑控制巷道围岩变形本设计确定顶板锚杆长度为2.4m。
3.帮锚杆长度
为确定合理的帮锚杆长度，在进行数值模拟时，锚杆间排距均为800mm，帮锚杆参数为Φ20mm，顶锚杆参数为Φ20mm L2400mm，锚索参数为Φ17.8mm L7000mm，锚索间排距分别为1600 mm和2400 mm。通过改变帮锚杆长度，研究分析不同帮锚杆长度对巷道围岩变形的影响，进而确定合理的帮锚杆长度。通过数值模拟计算，随着帮锚杆长度的加长，底鼓量不断减小，而顶板下沉量和两帮移近量不断减小，当帮锚杆的长度从1.8 m增加到2.0 m，顶板下沉量减小了9.74 mm，左帮移近量减小21.56 mm，右帮移近量减小21.33 mm，底鼓量基本不变。因此，考虑控制巷道围岩变形本设计确定帮锚杆长度为2.0 m。
4.锚杆排距
为确定合理的锚杆排距，在进行数值模拟时，锚杆间距800，帮锚杆参数为Φ20 mm L2400 mm，顶锚杆参数为Φ20 mm L2000 mm，锚索参数为Φ17.8 mm L7000 mm，锚索间距为1600 mm。通过改变锚杆排距，研究分析不同锚杆排距对巷道围岩稳定性的影响，进而确定合理的锚杆排距。通过数值模拟计算，随着锚杆排距的加大，围岩变形整体不断增加，当锚杆排距从700 mm增加到800 mm，顶板下沉量仅增加了3.03 mm，左帮移近量增加了2.19 mm，右帮移近量增加了2.32 mm，底鼓量增加了1.78mm。因此，考虑控制巷道围岩变形本设计确定锚杆排距为800 mm。
5.锚索支护参数合理确定
锚索支护的显著特点是：锚索长度较长，能够锚入到深部较稳定的岩层中，锚索可施加预应力，承载力大。锚索支护是一种主动支护，它的应用极大地提高了巷道支护的整体水平，Φ17.8 mm、强度1870MPa的钢绞线目前使用较为广泛。
（1）锚索间排距
普氏理论方法是我国计算巷道松动压力普遍采用的方法。根据普氏理论有：
代入上述参数，可以求得N为0.85根/m，可以看出，锚索每排2根，排距2400 mm时，即能保证安全又经济合理，因此确定锚索的参数为直径17.8 mm，间距1600 mm，每排2根，排距为2400 mm。
（2）锚索长度
确定锚索长度及位置时主要应考虑载荷高度和稳定岩层的赋存情况，载荷高度根据冒落拱高度进行计算，则锚索长度为：
式中：为锚索总长度，m；为锚索超出冒落拱长度，0.5 m；为冒落拱高度，4.12 m；为锚索托盘及索具的厚度，取0.2 m；为需要外露的涨拉长度，取0.25m。 求得锚索的长度为5.07 m，最终确定锚索的长度为7.0 m，因此锚索的最终参数为直径17.8mm，间距1600 mm，每排2根，排距为2400 mm，锚索长度7.0m。
三、现场施工试验
试验巷道为小屯煤矿16中03工作面运输巷，巷道沿6中煤层底板掘进，巷道断面为矩形，采用锚杆配套网片、梯子梁支护以及锚索加强支护，巷道净宽4.3m，净高2.7m，局部顶板破碎处或遇断层构造带时，采用减小锚杆排距、安装单体支柱补强支护。
（一）应用支护方案
经过数值模拟模型的确定、FLAC3D数值模拟计算，综合考虑围岩控制效果、经济效益，最终确定了16中03工作面运输巷初始支护方案。
16中03工作面运输巷锚杆支护参数、规格及具体要求见表3-1，锚杆支护断面如图3-1所示。
（二）现场支护施工工艺
锚杆支护施工的工序有：铺网及钢筋梯、架设临时支护、打锚杆孔、组装锚杆、搅拌树脂药卷、上紧螺母等。
施工工艺要求
1.巷道开挖后，先打顶板锚杆，后打帮锚杆，锚索支护滞后迎头3～5 m。2.顶板锚杆锚固力大于100kN；两帮锚杆锚固力大于80kN，锚索设计锚固力不小于200kN。3.锚杆外露长度大于20 mm、小于50 mm。4.铺网搭接长度不得小于100 mm，严禁对接，搭接处，应用扎丝扭接联网，铺网必须拉紧并紧贴岩面。5.铺网时，禁止卸掉第一排锚杆托盘重新压网，避免二次支护现象。6.锚杆预紧力不小于20kN，安装扭矩不小于200N·m；锚索预紧力不小于120kN，安装扭矩不小于1000N·m。7.巷道断面超过设计宽度大于300mm，必须采用补打顶锚杆（锚索）或支撑式支架进行加固，巷道断面超过设计高度大于300mm，必须采用补打帮锚杆进行加固。
四、结语
经现场监测数据显示，16中03工作面运输巷两帮移近量为203 mm，顶底板移近量为143 mm，顶板锚固区内外离层最大值为24 mm，锚杆最大载荷为127 kN，锚索最大载荷为185 kN，而20MnSi材质锚杆和直径18.9 mm锚索的破断力分别在150kN、300kN以上，锚杆锚索仍有很大承载空间，巷道完全能够满足矿井通风、行人的要求。
经现场施工试验，该项目试验成功，不但对小屯矿复合顶板煤巷锚杆支护技术的改进具有重要意义，而且对复合顶板煤巷锚杆支护技术具有指导价值，因而有很好的社会经济效益。
（一）强力锚杆阻力大、支护强度高，比其它支护方式能更有效地控制符合顶板煤巷围岩的破碎，更有利于安全生产。
（二）在保证巷道同样有效断面的前提下，强力锚杆支护可减小巷道的掘进断面，从而降低掘进成本。
（三）小屯矿复合顶板煤巷锚杆支护技术的研究与应用，实现了复合顶板煤巷一次成巷，减小了巷道的维护，大大降低了工人的劳动强度并提高了作业的安全性。
作者简介：
孙守义，男，1965年9月生，研究生学历，现任贵州大方煤业有限公司总经理，多年来长期从事煤矿建设生产管理工作。
【关键词】复合顶板 锚杆 支护
一、概述
对于复合顶板煤巷，围岩的稳定控制的关键在于两个方面：一是控制复合顶板早期离层和大变形，采用高预应力锚杆及时支护，增强复合顶板的层间结合力，控制复合顶板离层；二是抑制顶、帮角等关键承载部位剪切破坏，采用强力锚杆支护提高提高帮角的抗剪能力。与其它岩层相比，复合顶板煤巷顶板极易离层、下沉，而两帮为强度小的煤体，在上覆岩层载荷作用下，两帮围岩破坏范围大，相当于极大地增加了复合顶板的宽度，复合顶板和两帮煤体相互作用，形成恶性循环，围岩条件进一步恶化，最终导致复合顶板煤巷失稳破坏，支护极为困难。
小屯煤矿16中03工作面平均埋深为280 m，煤层厚度稳定，平均为2.41 m，煤层倾角1～4°，为近水平煤层，煤层强度较小，为松软煤层，煤层上方为厚0.9 m、深灰色薄层状的泥岩，再上为厚1.76 m含1～2层夹矸的6上煤，共同组成6中煤直接顶，为复合顶板，直接底为厚0.95 m、深灰色较破碎、遇水极易软化膨胀的泥岩和厚0.47 m、黑色块状的W24煤，围岩整体强度小，16中03工作面运输巷掘进后，复合顶板早期离层、下沉量大，两帮剧烈移近，底鼓量大，巷道极难维护。
二、锚杆支护参数的确定
基于复合顶板煤巷围岩控制技术，初选多种支护方案，运用非线性有限差分软件FLAC3D进行数值模拟分析比较，分析各种支护方案对巷道围岩变形控制效果，根据控制围岩效果好、支护成本低、施工速度快的原则，确定了16中03工作面运输巷道的锚杆支护参数。
（一）支护模型的确定
根据生产地质条件，确定16中03工作面运输巷数值计算模型如图2-1所示。在该模型的基础上研究在不同支护方案下，复合顶板煤巷顶板下沉量、底鼓量、两帮变形量的变形规律，从而选择最优的支护参数，
（二）锚杆支护参数确定
1.锚杆直径
为有效地控制巷道围岩的变形和离层，锚杆必须给围岩可靠的支护阻力。当锚杆材质一定时，支护阻力的大小与杆体半径的平方成正比。另一方面我国煤矿普遍使用的锚孔直径为28 mm，适用的锚杆直径为18～24 mm。考虑施工机具因素，确定锚杆直径为20 mm，能满足高锚固力、节约材料、施工方便的要求。
2.顶锚杆长度
为确定合理的顶锚杆长度，在进行数值模拟时，锚杆间排距均为800mm，帮锚杆参数为Φ20mmL2000mm，顶锚杆参数为Φ20mm，锚索参数为Φ17.8mmL7000mm，锚索间排距分别为1600mm和2400mm。通过改变顶锚杆长度，研究分析不同顶锚杆长度对巷道围岩变形的影响，进而确定合理的顶锚杆长度，通过数值模拟计算，随着顶锚杆长度的加长，围岩表面位移不断减小，当顶锚杆的长度从1.8m增加到2.4m，顶板下沉量减小了18.69mm，底鼓量减小24.62mm。因此，考虑控制巷道围岩变形本设计确定顶板锚杆长度为2.4m。
3.帮锚杆长度
为确定合理的帮锚杆长度，在进行数值模拟时，锚杆间排距均为800mm，帮锚杆参数为Φ20mm，顶锚杆参数为Φ20mm L2400mm，锚索参数为Φ17.8mm L7000mm，锚索间排距分别为1600 mm和2400 mm。通过改变帮锚杆长度，研究分析不同帮锚杆长度对巷道围岩变形的影响，进而确定合理的帮锚杆长度。通过数值模拟计算，随着帮锚杆长度的加长，底鼓量不断减小，而顶板下沉量和两帮移近量不断减小，当帮锚杆的长度从1.8 m增加到2.0 m，顶板下沉量减小了9.74 mm，左帮移近量减小21.56 mm，右帮移近量减小21.33 mm，底鼓量基本不变。因此，考虑控制巷道围岩变形本设计确定帮锚杆长度为2.0 m。
4.锚杆排距
为确定合理的锚杆排距，在进行数值模拟时，锚杆间距800，帮锚杆参数为Φ20 mm L2400 mm，顶锚杆参数为Φ20 mm L2000 mm，锚索参数为Φ17.8 mm L7000 mm，锚索间距为1600 mm。通过改变锚杆排距，研究分析不同锚杆排距对巷道围岩稳定性的影响，进而确定合理的锚杆排距。通过数值模拟计算，随着锚杆排距的加大，围岩变形整体不断增加，当锚杆排距从700 mm增加到800 mm，顶板下沉量仅增加了3.03 mm，左帮移近量增加了2.19 mm，右帮移近量增加了2.32 mm，底鼓量增加了1.78mm。因此，考虑控制巷道围岩变形本设计确定锚杆排距为800 mm。
5.锚索支护参数合理确定
锚索支护的显著特点是：锚索长度较长，能够锚入到深部较稳定的岩层中，锚索可施加预应力，承载力大。锚索支护是一种主动支护，它的应用极大地提高了巷道支护的整体水平，Φ17.8 mm、强度1870MPa的钢绞线目前使用较为广泛。
（1）锚索间排距
普氏理论方法是我国计算巷道松动压力普遍采用的方法。根据普氏理论有：
代入上述参数，可以求得N为0.85根/m，可以看出，锚索每排2根，排距2400 mm时，即能保证安全又经济合理，因此确定锚索的参数为直径17.8 mm，间距1600 mm，每排2根，排距为2400 mm。
（2）锚索长度
确定锚索长度及位置时主要应考虑载荷高度和稳定岩层的赋存情况，载荷高度根据冒落拱高度进行计算，则锚索长度为：
式中：为锚索总长度，m；为锚索超出冒落拱长度，0.5 m；为冒落拱高度，4.12 m；为锚索托盘及索具的厚度，取0.2 m；为需要外露的涨拉长度，取0.25m。 求得锚索的长度为5.07 m，最终确定锚索的长度为7.0 m，因此锚索的最终参数为直径17.8mm，间距1600 mm，每排2根，排距为2400 mm，锚索长度7.0m。
三、现场施工试验
试验巷道为小屯煤矿16中03工作面运输巷，巷道沿6中煤层底板掘进，巷道断面为矩形，采用锚杆配套网片、梯子梁支护以及锚索加强支护，巷道净宽4.3m，净高2.7m，局部顶板破碎处或遇断层构造带时，采用减小锚杆排距、安装单体支柱补强支护。
（一）应用支护方案
经过数值模拟模型的确定、FLAC3D数值模拟计算，综合考虑围岩控制效果、经济效益，最终确定了16中03工作面运输巷初始支护方案。
16中03工作面运输巷锚杆支护参数、规格及具体要求见表3-1，锚杆支护断面如图3-1所示。
（二）现场支护施工工艺
锚杆支护施工的工序有：铺网及钢筋梯、架设临时支护、打锚杆孔、组装锚杆、搅拌树脂药卷、上紧螺母等。
施工工艺要求
1.巷道开挖后，先打顶板锚杆，后打帮锚杆，锚索支护滞后迎头3～5 m。2.顶板锚杆锚固力大于100kN；两帮锚杆锚固力大于80kN，锚索设计锚固力不小于200kN。3.锚杆外露长度大于20 mm、小于50 mm。4.铺网搭接长度不得小于100 mm，严禁对接，搭接处，应用扎丝扭接联网，铺网必须拉紧并紧贴岩面。5.铺网时，禁止卸掉第一排锚杆托盘重新压网，避免二次支护现象。6.锚杆预紧力不小于20kN，安装扭矩不小于200N·m；锚索预紧力不小于120kN，安装扭矩不小于1000N·m。7.巷道断面超过设计宽度大于300mm，必须采用补打顶锚杆（锚索）或支撑式支架进行加固，巷道断面超过设计高度大于300mm，必须采用补打帮锚杆进行加固。
四、结语
经现场监测数据显示，16中03工作面运输巷两帮移近量为203 mm，顶底板移近量为143 mm，顶板锚固区内外离层最大值为24 mm，锚杆最大载荷为127 kN，锚索最大载荷为185 kN，而20MnSi材质锚杆和直径18.9 mm锚索的破断力分别在150kN、300kN以上，锚杆锚索仍有很大承载空间，巷道完全能够满足矿井通风、行人的要求。
经现场施工试验，该项目试验成功，不但对小屯矿复合顶板煤巷锚杆支护技术的改进具有重要意义，而且对复合顶板煤巷锚杆支护技术具有指导价值，因而有很好的社会经济效益。
（一）强力锚杆阻力大、支护强度高，比其它支护方式能更有效地控制符合顶板煤巷围岩的破碎，更有利于安全生产。
（二）在保证巷道同样有效断面的前提下，强力锚杆支护可减小巷道的掘进断面，从而降低掘进成本。
（三）小屯矿复合顶板煤巷锚杆支护技术的研究与应用，实现了复合顶板煤巷一次成巷，减小了巷道的维护，大大降低了工人的劳动强度并提高了作业的安全性。
作者简介：
孙守义，男，1965年9月生，研究生学历，现任贵州大方煤业有限公司总经理，多年来长期从事煤矿建设生产管理工作。