王东亮、张忠正、朱伟
枣庄矿业（集团）七五煤业有限公司，山东省济宁市微山县，277699
摘要：根据七五煤业3上211运输巷工程地质条件，基于“有效承载层厚度”的顶板叠加梁理论，提出了“高强度、低密度”支护技术理念，形成3上211运输巷“高强度、低密度”支护初步技术方案。并经支护实践表明，3上211运输巷采用“高强度、低密度”支护体系，在支护效果、施工速度、巷道稳定性等方面均体现出其独特的优越性，可在掘进巷道支护领域进行推广应用。
3上211运输巷为七五煤业南二采区东翼工作面回采巷道，巷道沿断层掘进，由于断层及其附近区域围岩破碎、存在构造应力，巷道支护困难，为加强巷道顶板完整性及稳定性，并适应回采期间的动压扰动影响，需及时增强支护强度。考虑到现有的锚杆（索）支护理论与技术支护密度大、速度慢的现状，严重制约掘进速度，加剧采掘接续的紧张程度等问题，提出了“高强度、低密度”支护技术理念。
1 工程地质概况
3上211运输巷沿3上煤层顶底板掘进，井下位于南二采区东翼，设计生产水平-624 m，地面标高+37.7 m～+38.6 m，巷道标高-583.1 m～-617.5 m。该巷道地层整体呈一单斜构造，局部受断层影响存在宽缓褶曲。
2 基于“有效承载层厚度”的顶板叠加梁理论
煤巷厚层顶板分层呈近水平层状分布，各厚层顶板分层都具有一定的抗剪强度、抗压强度和抗拉强度，而各层之间相互粘结力较弱，为简化力学模型，忽略各层之间相互粘结力，并假设n层岩梁的各岩层具有相同的几何特征和力学特性，利用力学中的变形连续条件、静力平衡条件以及迭加原理，考虑上部岩层垂直荷载和水平构造应力的联合作用，对层间不具有粘结力的煤巷顶板叠（组）合岩梁内力进行分析。
建立在垂直荷载和水平构造应力联合作用下顶板叠（组）合梁受力模型如图6、图7所示。
.png)
式中： 为组合岩梁所受垂直均布荷载，单位N/m3；l为岩梁跨度，单位m；为组合岩梁沿巷道方向单位宽度，单位1。
3 “高强度、低密度”支护设计
3上211运输巷直接顶为平均厚度仅1.85m的泥岩，而基本顶为平均厚度达16.1m的砂岩泥岩。直接顶与基本顶均属于典型的层状沉积岩层，互层之间的胶结比较薄弱，容易产生离层。建立叠加梁力学分析模型，对3上211运输巷支护方案进行设计。
3.1 有效锚固长度确定
在竖向荷载作用下复合顶板发生挠曲变形。在挠曲变形过程中，由于第1层厚层顶板分层为坚硬岩层，挠度小于第i-1层，而不与其下部岩层协调变形的岩层，并控制其上n层厚层顶板分层，与第i+1层-至第i+n层具有相同的变形曲率。第i+n层厚层顶板分层对第i层所形成的载荷为，计算公式如（4-1）所示：
.png)
其中，表示第j层离层上下厚层顶板分层作用于第1层厚层顶板分层的载荷差值。
确定锚索预紧力不小于180kN。
3.3 锚杆锚索支护参数确定
巷道顶板布置3根1×7股的Φ21.8×6200 mm高强度锚索（破断荷载不低于380 kN，延伸率不小于3.5%），间排距为1600×1200 mm，预紧力不低于180kN，采用规格为4200×180×3 mm的W钢带，采用规格为4200×1170 mm的φ6.5mm钢筋网。巷道帮部布置4根Φ20×2200 mm无纵肋螺纹钢锚杆，间排距均为1100×1200 mm，顶角与底角锚杆与帮部成15°，采用规格为4000×80×3mm的 M钢带，采用规格为4500×1100mm 的10#铁丝金属菱形网。
.png)
4 支护效果
3上211运输巷采用高强度、低密度锚杆支护体系后，在掘进巷道支护效果、施工速度及保持巷道的稳定性方面均表现出其独特的优越性。
（1）支护效果。采用高强预应力注浆锚索支护顶板后，在提高围岩整体性和强度的同时也实现了自身自由段全锚，促使锚索与围岩形成统一整体，可有效改善支护体系的支护效果，支护效果显著，能够满足掘进及回采期间支护强度要求。
（2）施工速度。高强预应力注浆锚索既是支护结构的主体，又是注浆加固的载体，实现了支护与加固的一次施工，避免了多余的施工工序。同时，采用注浆锚索支护，加大了巷道支护排距，较原支护排距平均扩大200mm,减少了支护工程量，提高了施工速度。
（3）巷道稳定性。采用高强度、低密度锚杆支护体系后，高预应力注浆锚索可有效抑制围岩内部节理裂隙的产生，也可以阻止围岩内部岩体和注浆浆液形成结石体的再次破坏，从而控制围岩的整体稳定，据观测，巷道无明显变形，稳定性较好。