破碎頂板松軟煤層巷道破壞機(jī)理及高預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)研究

李宏星，丁國(guó)利，張小強(qiáng)，劉躍東

（1. 山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，山西 太原 030031；2. 太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

引言

破碎軟巖是指節(jié)理、裂隙巖體因地下開(kāi)挖后引起高應(yīng)力區(qū)(支承壓力)，并產(chǎn)生大流變或膨脹等時(shí)效變形，且常規(guī)支護(hù)困難的圍巖[1]。 由于軟巖成因與變形力學(xué)機(jī)制復(fù)雜，破碎軟巖巷道形變量大、受采動(dòng)及地壓影響明顯使得支護(hù)復(fù)雜、投資大，安全生產(chǎn)卻得不到有效保障。

易東煤礦受以往生產(chǎn)技術(shù)條件限制，回采巷道一直以傳統(tǒng)的棚式支護(hù)為主要支護(hù)手段。實(shí)踐表明，采用棚式支護(hù)存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、巷道圍巖變形量大、維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題[2]。 礦井兼并重組后，應(yīng)用煤礦綜合機(jī)械化采煤，必須針對(duì)2號(hào)煤層賦存條件，開(kāi)展破碎頂板松軟煤幫條件下的巷道錨桿支護(hù)技術(shù)的研究，從而實(shí)現(xiàn)巷道科學(xué)支護(hù)、快速掘進(jìn)、降低支護(hù)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

1 工程地質(zhì)條件

易東煤礦主采2號(hào)煤層，平均厚度2.32 m，煤質(zhì)較軟，平均傾角7°，埋深220~300 m。4號(hào)煤層煤樣采用掏撬法從工作面煤壁直接選取，頂、底板巖層巖樣采用鉆孔取芯法選取，得知煤層頂板下部為1.2 m的灰色泥巖，中部為0.8 m的砂巖，上部為1 m厚泥巖的破碎頂板。

2 破碎頂板松軟煤層支護(hù)理論

2.1 破碎頂板支護(hù)理論

對(duì)應(yīng)于圍巖強(qiáng)度弱化和分階段的破壞，巷道圍巖進(jìn)行不同階段的加強(qiáng)支護(hù)：

1）巷道開(kāi)挖掘進(jìn)初期，及時(shí)封閉控制圍巖，且對(duì)其補(bǔ)償徑向阻力。

2）成巷后初期圍巖破壞和變形明顯，圍巖應(yīng)力調(diào)整致使巷道表面圍巖破壞，主要變現(xiàn)為剪脹破壞，通過(guò)適當(dāng)支護(hù)形式為圍巖巖塊提供區(qū)域范圍的剪切阻力，提高圍巖剪切強(qiáng)度。

3）圍巖破裂圈形成后處于低約束下的破裂狀態(tài)，圍巖的應(yīng)力和變形都有明顯的宏觀表現(xiàn)，裂隙發(fā)育，承載能力降低。此時(shí)需全面加強(qiáng)提高圍巖強(qiáng)度，改善力學(xué)性能主要從宏觀整體方面，促使圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的形成使其趨于穩(wěn)定。

2.2 松軟煤層兩幫支護(hù)理論

巷幫是巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，最易破壞而喪失支撐能力。復(fù)合頂板松軟煤層巷道兩幫變形對(duì)頂板穩(wěn)定有較大影響，煤幫強(qiáng)烈相對(duì)移近、破壞后，大范圍的破壞區(qū)、塑性區(qū)煤體失去了對(duì)復(fù)合頂板的支撐，擴(kuò)大頂板寬度、引起兩幫煤體破壞區(qū)復(fù)合頂板離層破壞、頂板巖層承載能力降低、甚至垮落。因而控制兩幫煤體變形、破壞是對(duì)復(fù)合頂板的有效支撐。

3 錨桿支護(hù)數(shù)值計(jì)算分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)的確定

根據(jù)易東煤礦2號(hào)煤層柱狀圖，模型頂板取20 m，模型底板取15 m，巷道兩幫各20 m。模型四個(gè)側(cè)面為水平移動(dòng)邊界，底部為固定邊界，模型共劃分31 200個(gè)單元，34 440個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.2 數(shù)值計(jì)算方案的確定

共設(shè)置兩個(gè)模擬方案進(jìn)行對(duì)比：

方案一：錨桿支護(hù)，頂板6根錨桿，間距0.9 m，直徑為20 mm，長(zhǎng)度2.4 m；3根錨索，錨索長(zhǎng)度6.3 m，間距1.8 m，排距2.7 m，邊錨索向外傾斜20°；兩幫各布置4根錨桿，間距1.2 m，直徑為20 mm，長(zhǎng)度2.0 m。

方案二：錨桿支護(hù)，頂板5根錨桿，間距1.0 m，直徑為20 mm，長(zhǎng)度2.4 m，每?jī)膳佩^桿打2根錨索，錨索長(zhǎng)度6.3 m，間距1.8 m，排距2.7 m，錨索垂直頂板布置；兩幫各布置4根錨桿，間距1.2 m，直徑φ20 mm，長(zhǎng)度2.0 m。

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

1）圍巖屈服破壞分析

巷道分別采用方案一和方案二進(jìn)行支護(hù)時(shí)，圍巖屈服破壞分布如圖1所示。

圖1 不同支護(hù)方案下巷道圍巖塑性區(qū)分布

由方案一的屈服破壞圖顯示，軌道上山圍巖破壞范圍基本呈對(duì)稱分布，位于2號(hào)煤層中的直墻部位出現(xiàn)深度為1.2 m的破壞，由于巷道頂板堅(jiān)硬完整，所以巷道頂板中部未發(fā)生破壞，底板破壞深度為0.4 m；采用支護(hù)方案二時(shí)，軌道上山位于2號(hào)煤中的直墻部位出現(xiàn)深度為1.6 m的破壞，破壞范圍較方案一相同，但巷道兩頂角發(fā)生明顯的剪切破壞，道頂板中部未發(fā)生破壞，底板破壞深度為0.8 m；所以選用方案一。

2）圍巖垂直應(yīng)力分析

巷道分別采用方案一和方案二進(jìn)行支護(hù)時(shí)，圍巖垂直應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 不同支護(hù)方案下巷道垂直應(yīng)力分布圖

從圖中可以看出，頂錨桿錨固范圍內(nèi)及巷道底板中部 垂直應(yīng)力較小，其值為原巖應(yīng)力15 MPa的50%~80%，為應(yīng) 力降低區(qū)；兩幫垂直應(yīng)力基本呈對(duì)稱分布，巷幫兩側(cè)和底 角為應(yīng)力增高區(qū)。采用方案一時(shí)，巷道垂直應(yīng)力的峰值為23.6 MPa，為原巖應(yīng)力15 MPa的1.57倍；采用支護(hù)方案二 時(shí)，巷道垂直應(yīng)力的峰值為23.0 MPa，為原巖應(yīng)力15 MPa的1.53倍，應(yīng)力集中范圍大；加上錨桿后應(yīng)力峰值增大的主要 原因是錨固區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)增大。從垂直應(yīng)力的分布結(jié)果 來(lái)看，采用方案一時(shí)，巷道更加穩(wěn)定。

3）圍巖位移分析

巷道分別采用方案一和方案二進(jìn)行支護(hù)時(shí)，圍巖位移分 布如圖3所示。

圖3 不同支護(hù)方案下巷道水平位移分布圖

圖4 不同方案下巷道垂直位移分布圖

從圖中可以看出，采用方案一時(shí)，巷道頂板最大移近量位于巷道頂板中心為21.7 mm，離層量超過(guò)10 mm區(qū)域面積較小，底板最大移近量為10.35 mm。巷道兩幫的移近量呈對(duì)稱分布，兩幫最大移近量位于直墻頂部，兩幫最大移近量為50.3 mm；采取支護(hù)方案二時(shí)，巷道頂板最大移近量位于巷道頂板中心為24.7 mm，離層量超過(guò)10 mm區(qū)域面積最大，底板最大移近量為10.6 mm。巷道兩幫的移近量呈對(duì)稱分布，兩幫最大移近量位于直墻頂部，兩幫最大移近量為83.3 mm，數(shù)據(jù)表明，方案一巷道圍巖穩(wěn)定性較好。綜合以上分析，確定方案一為最優(yōu)支護(hù)方案。

4 支護(hù)方案及參數(shù)設(shè)計(jì)

頂錨桿采用桿體為Φ20 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度為2 400 mm，桿尾螺紋M24 mm，錨桿間排距為900 mm×900 mm，靠近巷幫的頂錨桿距巷幫250 mm，安設(shè)角度與垂線成20°，其余錨桿與頂板垂直。錨索采用Φ18.6 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度為6 300 mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度為1.5 m。錨索間距為1 800 mm，錨索排距為2 700 mm。幫錨桿采用桿體為Φ20 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度為2 400 mm，桿尾螺紋為M24 mm，每幫每排4根，間排距為1 200 mm×900 mm，靠近頂板的幫錨桿距頂板450 mm，錨桿角度與巷幫垂直。W鋼帶選用BHW-280-2.50。

5 巷道礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證采用高性能預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)體系支護(hù)后效果，在采區(qū)巷道每隔50米依次布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用“十字布點(diǎn)法”監(jiān)測(cè)巷道表面的兩幫移近量。采用五個(gè)點(diǎn)的頂板離層監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)頂板下沉量。工作面回采后，在動(dòng)壓影響下巷道頂板離層量、表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5-6所示。

圖5 采區(qū)巷道頂板離層監(jiān)測(cè)曲線

圖6 采區(qū)巷道表面位移觀測(cè)曲線

巷道表面位移觀測(cè)結(jié)果，頂板下沉量為44 mm，兩幫移近量為117 mm，頂板和煤體巷幫位移位移在距工作面50 m后趨于穩(wěn)定，總體來(lái)看巷道支護(hù)狀況良好。

頂板離層監(jiān)測(cè)結(jié)果，錨固區(qū)離層值為32 mm，頂板7 m范圍內(nèi)離層值為30 mm，頂板離層量不大。

6 結(jié)語(yǔ)

1）易東煤礦采區(qū)巷道頂板因各分層強(qiáng)度及剛度不同、分層之間黏聚力小，十分破碎。易離層、冒落，難以形成共同承載體。巷道由上到下逐層離層-破壞-冒頂，導(dǎo)致巷道頂板失去自承能力，導(dǎo)致兩幫支撐力加大，最終引起片幫，巷道完全失穩(wěn)。

2）加強(qiáng)巷道頂板的支護(hù)強(qiáng)度，引起支承壓力向巷幫轉(zhuǎn)移，說(shuō)明加強(qiáng)兩幫支護(hù)強(qiáng)度能夠有效阻止應(yīng)力峰值向巷幫深處轉(zhuǎn)移，進(jìn)而提高兩幫圍巖錨固體強(qiáng)度。

3）巷道頂板采用高強(qiáng)度預(yù)拉力錨桿、兩幫采用小孔徑樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固技術(shù)，并配合小孔徑預(yù)拉力錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及鋼筋托梁組合支護(hù)技術(shù)后，巷道變形得到控制，支護(hù)效果良好。

[1] 朱建明,任天貴,明士祥,等.軟破巖的定義、分類及其支護(hù)策略[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),1997,17(2):9-12.

[2] 陳炎光,錢(qián)鳴高.中國(guó)煤礦采場(chǎng)圍巖控制[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1994.