大斷面復(fù)合頂板巷道圍巖控制技術(shù)研究

常月章

(霍州煤電集團(tuán) 三交河煤礦，山西 洪洞 041600)

1 工程概況

某礦7801工作面主采3#煤層，煤層均厚為5.45 m，平均傾角為10°，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，均厚5.67 m；基本頂為中細(xì)粒長砂巖，均厚5.06 m；直接底為泥巖，均厚3.8 m，基本底為砂質(zhì)泥巖，均厚3.46 m，7801工作面頂?shù)装鍘r層特征見圖1. 7801工作面運輸巷與回風(fēng)巷斷面尺寸為5 m×3.5 m，開切眼的斷面尺寸為8 m×3.2 m，切眼埋深800 m.在7801工作面開切眼形成后，由于頂板為弱化復(fù)合型頂板，切眼在小構(gòu)造、頂板砂巖水等因素的影響下原有的錨網(wǎng)索支護(hù)不能有效地控制巷道圍巖穩(wěn)定；巷道出現(xiàn)變形嚴(yán)重，頂板離層的現(xiàn)象，在構(gòu)造應(yīng)力較大的區(qū)域，巷道頂板下沉量達(dá)到40 cm以上，頂板破壞較嚴(yán)重，鋼帶出現(xiàn)扭曲變形等現(xiàn)象，需采取有效支護(hù)手段控制巷道圍巖的變形。

2 大斷面復(fù)合頂板巷道失穩(wěn)機理

7801工作面切眼為矩形巷道，故此處主要對矩形巷道的失穩(wěn)機理進(jìn)行分析。矩形巷道的失穩(wěn)機理可分為3類，分別為：壓力拱理論下巷道的失穩(wěn)、水平構(gòu)造應(yīng)力作用造成的巷道失穩(wěn)和大斷面復(fù)合頂板巷道遇水失穩(wěn)。

1) 壓力拱理論下巷道失穩(wěn)分析。

巷道開挖會導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，另外開挖后巷道頂板一般會受到拉應(yīng)力作用，在拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強度時，致使頂板巖層出現(xiàn)變形破壞，頂部巖石會逐漸塌落，當(dāng)頂板巖層塌落到一定程度后，頂板巖層會形成一個近似拱形的平衡結(jié)構(gòu)，整個自然平衡拱稱之為塌落拱[1-2]. 根據(jù)普式理論，考慮到巖石受到側(cè)壓影響，對巷道頂板巖體建立具體的力學(xué)模型，見圖2.

根據(jù)圖2能夠得出：

(1)

式中：

b1—塌落拱拱高，m；

l—塌落拱短軸線與巷道底板間的長度，m；

a2—塌落拱短軸半軸長度，m；

a—矩形巷道寬度的一半，m；

b—塌落拱長軸半軸長度，m；

λ—側(cè)壓系數(shù)；

θ—塌落角，(°).

根據(jù)極限平衡理論能夠得出，式(1)中b1表達(dá)式即為塌落拱拱高的計算公式。在考慮側(cè)壓對巖石的影響時，計算得出的拱高比普式理論計算出的拱高大。根據(jù)式(1)能夠看出，塌落拱的高度會隨著巷道跨度的增大而增大，此時需對巷道采取強度較大的支護(hù)手段，當(dāng)對巷道采取的支護(hù)手段所能提供的強度不足時，巷道便可能出現(xiàn)失穩(wěn)。

圖1 7801工作面頂?shù)装寰C合柱狀圖

圖2 塌落拱力學(xué)模型圖

2) 水平構(gòu)造應(yīng)力造成的巷道失穩(wěn)分析。

水平構(gòu)造應(yīng)力即為水平方向的構(gòu)造應(yīng)力，巷道頂板受到的剪切拉伸作用會隨著水平構(gòu)造應(yīng)力的增大而逐漸增大，從而會進(jìn)一步致使頂板卸荷壓力拱拱高的增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)所能提供的強度小于卸荷壓力拱下巖體的重量，從而導(dǎo)致頂板變形量大、錨桿失效等情況，進(jìn)一步致使巷道頂板失穩(wěn)[3].

水平應(yīng)力作用下巷道頂板的失穩(wěn)形式主要為2種，分別為：a) 頂板巖層滑動。頂板巖層所受到的垂直應(yīng)力會隨著水平構(gòu)造應(yīng)力的增大而逐漸減小，并且垂直應(yīng)力存在減小到零的情況，故隨著水平構(gòu)造應(yīng)力的增大會使得頂板巖層出現(xiàn)滑移離層[4]. b) 頂板巖層剪切破斷。在水平構(gòu)造應(yīng)力逐漸增大時，巷道圍巖所受到的垂直應(yīng)力會相應(yīng)的減小，進(jìn)而會導(dǎo)致巷道所受到的圍巖應(yīng)力大于頂板巖層強度，出現(xiàn)剪切破壞。

3) 大斷面復(fù)合頂板巷道遇水失穩(wěn)分析。

7801工作面的地質(zhì)情況與相鄰7605工作面的地質(zhì)情況基本一致，根據(jù)相鄰7605工作面的地質(zhì)資料對7801工作面巷道破壞機理進(jìn)行推斷分析。7605工作面開切眼頂板巖層砂巖含有大量水，頂板屬于復(fù)合頂板，斷面為矩形，尺寸為7 m×3.2 m，采用錨網(wǎng)索的支護(hù)形式。2009年該切眼在距掘進(jìn)頭20 m的位置處頂板出現(xiàn)大面積垮落，通過現(xiàn)場觀察結(jié)合理論分析得出，切眼頂板在小構(gòu)造應(yīng)力作用下，局部巖層較松散破碎，另外由于切眼的跨度大、錨桿(索)支護(hù)方式不合理，使得頂板在高拉應(yīng)力作用下，出現(xiàn)大變形離層現(xiàn)象，此時頂板的下沉量與錨索的變形會出現(xiàn)不匹配的情況，致使整個錨固結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；另一方面，由于砂巖層中的水灰沿著錨索孔出現(xiàn)下泄，導(dǎo)致錨索的錨固力降低，錨索脫落，且水會降低錨固范圍內(nèi)圍巖的強度，使得頂板下沉量急劇增大，致使切眼在圍巖壓力作用下大面積垮落。

3 圍巖控制技術(shù)與方法

3.1 支護(hù)設(shè)計方案

對大斷面復(fù)合頂板巷道進(jìn)行支護(hù)時不能簡單的采用傳統(tǒng)支護(hù)理論進(jìn)行分析，需通過合適的手段進(jìn)行減跨。本次支護(hù)通過單體支護(hù)的方法將原本大跨度的切眼劃分為兩個小跨度巷道后再進(jìn)行合理有效的支護(hù)，劃分后兩巷道的跨度分別為：4.5 m和3.5 m.在巷道圍巖正常段采用加長錨索進(jìn)行支護(hù)，對于頂板破碎的特殊段或受水影響的頂板區(qū)域采用全長錨固方式進(jìn)行支護(hù)，對于錨桿(索)的具體支護(hù)參數(shù)，根據(jù)圍巖條件具體確定。

1) 錨桿(索)的長度。

根據(jù)錨桿長度經(jīng)驗公式：

Lmg=kwy(1.5+Bhd/10)

(2)

式中,kwy為圍巖影響系數(shù)，一般取0.9～1.2，根據(jù)地質(zhì)資料知切眼頂板為不穩(wěn)定頂板，取kwy=1.2；Bhd為巷道斷面的跨度，m.對于兩個小斷面巷道，當(dāng)Bhd=4.5 m時，由式(2)能夠計算出錨桿長度Lmg=2.34，跨度Bhd=3.5 m的巷道，Lmg=2.22 m，故最終確定錨桿長度為2.4 m.

根據(jù)壓力拱理論確定錨索長度，依據(jù)式(1)，2a=8 m，2b=3.2 m，頂板巖層φ=π/6，λ=1.3，計算得出塌落拱高b1=4.36 m，在合理考慮錨索的錨固長度及外露長度后，確定錨索長度為7.3 m.

2) 錨桿(索)間排距。

新奧法理論對松軟破碎圍巖的支護(hù)，提出錨桿間排距宜為0.8～1.0 m，對于不穩(wěn)定圍巖，支護(hù)經(jīng)驗間排距為0.6～1.0 m，基于此并結(jié)合7801工作面切眼的具體情況，確定錨桿間排距為1 000 mm×900 mm，錨索間排距為2 000 mm×1 800 mm.

3) 錨桿(索)直徑與預(yù)緊力。

根據(jù)錨桿直徑的經(jīng)驗公式，Dmzj=Lmg/110=21.3 mm，并結(jié)合該礦常用的左旋縱筋螺紋鋼錨桿直徑，確定錨桿(索)直徑為22 mm.

根據(jù)以往研究結(jié)果和現(xiàn)場經(jīng)驗可知，錨桿的預(yù)緊力一般選擇為桿體屈服載荷的30%～50%，確定錨桿預(yù)緊力為60 kN，錨索預(yù)緊力為250 kN.

4) 組合構(gòu)件參數(shù)。

采用W型鋼帶進(jìn)行護(hù)幫，參數(shù)為長2 400 mm×寬280 mm×厚4 mm；采用金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)片規(guī)格為2 600 mm×1 000 mm.

頂板錨桿采用加長錨固方式，錨索采用兩端錨固方式，錨桿(索)間排距如上所述，每兩排打設(shè)4根錨索，9根錨桿；內(nèi)側(cè)幫及外側(cè)幫錨桿均采用加長錨固方式，每排布置4根錨桿，錨桿間排距如上。具體錨桿支護(hù)斷面圖見圖3.

圖3 支護(hù)斷面圖

3.2 支護(hù)效果分析

在支護(hù)方案實施后，通過“十字布點法”對巷道表面位移情況持續(xù)監(jiān)測55天，具體巷道表面監(jiān)測點布置見圖4. 根據(jù)監(jiān)測所得數(shù)據(jù)，得出巷道表面位移，見圖5.

圖4 巷道斷面監(jiān)測點布置圖

由圖5可知，頂板下沉量及兩幫位移量隨時間逐漸增加，在35天后逐漸趨于穩(wěn)定，先掘的小跨度斷面頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤群缶蛎娲罂缍葦嗝娲螅瑑蓚€不同跨度的巷道頂板下沉量最大為41 mm，兩幫移近量最大為25.1 mm，底鼓量最大為14.5 mm，底板鼓起速率小于0.26 mm/d，頂板下沉量小于0.75 mm/d.故綜合上述數(shù)據(jù)可知，在采用支護(hù)方案后，雙拱切眼圍巖變形小，支護(hù)效果較好，且圍巖穩(wěn)定。

圖5 巷道圍巖斷面位移—時間關(guān)系曲線圖

4 結(jié) 論

結(jié)合大斷面復(fù)合頂板巷道失穩(wěn)機理與7801工作面切眼的地質(zhì)條件和經(jīng)驗公式，提出使用單體支護(hù)的方法對7801切眼進(jìn)行減跨，并對減跨后的巷道支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)礦壓觀測結(jié)果可知，頂板下沉量最大為41 mm，兩幫移近量最大為25.1 mm.支護(hù)方案實施后，有效地解決了7801切眼巷道變形量大及頂板離層的問題，保障了巷道圍巖的穩(wěn)定性。