基于現場測試及數值分析的堅硬頂板巷道支護參數設計

王志玉

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司 寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019)

在地下開采中，堅硬頂板是指賦存在煤層上方或厚度較薄的直接頂上方厚而堅硬的礫巖、石灰?guī)r等巖層[1]。此類頂板具有以下特點：巖石強度和彈性模量高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大、整體性強、自承能力高[2]。山西晉煤集團寺河礦二號井15號煤直接頂為K2石灰?guī)r，平均厚度9.8m，節(jié)理裂隙較發(fā)育，單軸抗壓強度為109.65MPa，屬于典型的強度高、整體性強的堅硬頂板。15號煤層平均厚度2.3m，單軸抗壓強度為10～13MPa，煤層中一般含1～2層不穩(wěn)定夾矸。直接底板為鋁質泥巖，礦物成分主要為黏土礦物，遇水易膨脹，抗壓強度16.4MPa。

由于頂板堅硬，煤層、直接底板相對較軟，隨著采深加大和地質條件日益復雜，巷道圍巖出現較大變形，安全系數降低。針對“一硬兩軟”的圍巖條件，進行相關力學參數原位測試，結合理論分析及數值模擬結果，優(yōu)化巷道支護參數[3-6]。選擇典型巷道進行井下試驗，對巷道掘進整個過程進行圍巖表面位移、錨桿工作阻力監(jiān)測，為正確選取支護方式和合理優(yōu)化支護參數提供更加真實、全面的反饋信息，為以后同類條件下巷道支護提供借鑒[7-8]。

1 現場測試

以寺河礦二號井15號煤三盤區(qū)為工程背景，煤層埋深在329～419m之間，上部9號煤采空區(qū)，垂距28～30m。盤區(qū)布置3條大巷，分別為153101軌道巷、153102回風巷、153103膠帶巷，153101-153102巷之間凈煤柱為30m，153101-153103巷之間凈煤柱為50m。

1.1 地應力測試

在已掘巷道中布置5個測點，進行地應力測試，測點具體位置如圖1所示。

圖1 測點位置示意

采用水壓致裂法進行地應力測試[9-10]，測試結果如表1所示。測試區(qū)域σH最大值為12.45MPa，最小值為7.60MPa；σh最大值為6.56MPa，最小值為4.25MPa。絕大多數主應力量值小于10MPa，屬于低值應力區(qū)。整體來看，σH由東南至西北方向呈減小趨勢，σH方向對與巷道軸線之間的夾角為N61.8°E，以NEE方向為主導方向。

1.2 底板巖石成分測試

在巷道底板鉆取巖樣，利用X射線衍射分析方法，依據《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》SYT 5163-2010，對巖層礦物成分進行測試和分析。將巖樣的X射線衍射圖譜與礦物的標準X射線衍射數據對比，進行定性分析，確定巖樣中礦物種類和含量(%)以及黏土礦物總量(%)，見表2。

表1 三盤區(qū)地應力測試結果

表2 礦物X射線衍射分析結果

黏土礦物主要是含水的鋁、鐵和鎂的層狀結構硅酸鹽礦物，對水分的侵入極為敏感，當與水體相接觸時，黏土礦物往往會發(fā)生膨脹，從而使巖層產生裂隙，甚至崩解，降低巖層的承載力。黏土礦物X射線衍射分析結果如表3所示。

表3 黏土礦物X射線衍射分析結果

注：S:蒙皂石類；I/S：伊蒙混層；I：伊利石；K：高嶺石；C：綠泥石；C/S：綠蒙混層

巖樣X射線衍射試驗表明，煤層直接底為鋁質泥巖，黏土礦物占比達到36.5%，其他成分為石英、鉀長石、方解石、白云石，占比為63.5%。黏土礦物主要為伊蒙混層、伊利石、高嶺石及綠泥石，其中伊蒙混層占黏土礦物的46.3%，伊利石占25%，高嶺石占28.7%，綠泥石占5.7%。

2 數值分析

根據地應力測試數據，σH=9.29MPa，σh=5.14MPa，σv=7.65MPa。σH與盤區(qū)大巷夾角α=70°，布置方向關系如圖2所示。

圖2 一五三盤區(qū)巷道與地應力方向關系

采用坐標轉換的方法，將原巖應力3個主應力轉換成巷道軸向為基準所建立新的坐標系下的圍巖應力分量，如圖3所示。

圖3 應力坐標轉換示意

新坐標系下三階應力張量為：

將最大水平主應力σH、以及σh、α帶入上式，可得：Pxx=8.8MPa，Pyy=4.9MPa，Pzz=7.65MPa?；诘刭|力學參數測試獲得的地應力、圍巖強度參數，按照三盤區(qū)大巷實際生產地質條件，采用FLAC3D建立數值模型，坐標系采用直角坐標系，XOY平面取為水平面，Z軸取鉛直方向，取巷道左下角點為坐標原點，水平向右為X軸正方向，沿巷道方向垂直向內為Y軸正方向，垂直向上為Z軸正方向。三維模型四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。

巖石力學參數見表4。

根據現場情況，采用以下模擬方案：

(1)頂板支護采用400號高強度螺紋鋼錨桿，

表4 巖層力學參數

規(guī)格為φ20mm×2000mm，1支MSK2335和1支MSZ2360的錨固劑加長錨固。錨桿間距1400mm，排距分別取1.3m，1.4m，1.5m。錨索直徑15.24mm，長度5.3m。根據錨桿排距變化3.9m，4.2m，4.5m，對比每排2根和每排1根的變化。

(2)巷幫支護錨桿參數與頂板相同，錨桿間距1m，排距分別取1.3m，1.4m，1.5m。排距1.4m時模擬結果如圖4所示。

圖4 排距1.4m條件下巷道圍巖應力與位移分布

從不同方案應力分布情況分析，垂直應力在兩幫出現應力集中，最大值為9.5MPa，水平應力在頂板石灰?guī)r層出現應力集中，最大值為18MPa，底板軟弱鋁質泥巖未出現高應力，說明軟弱巖層發(fā)生塑性破壞，失去承載能力。

從不同方案位移分布情況分析，錨桿排距為1.3m時，兩幫移近量為0.12m，頂板最大下沉量僅為8mm，底鼓量最大為18mm，巷道變形以底鼓為主；當排距為1.4m時，兩幫移近量為140mm，頂板最大下沉量為10mm，底鼓量最大達24mm，略有增加；排距增加至1.5m時，兩幫變形量達到240mm，頂板下沉量達15mm，底鼓量達到50mm，分別為1.4m排距的1.7，1.57，2倍。

圖5為不同方案巷道圍巖塑性區(qū)分布。從圖5可以看出，錨桿排距為1.4m時，塑性分布范圍相對較小，塑性區(qū)主要集中于兩幫煤層和底板鋁質泥巖，頂板堅硬石灰?guī)r未出現明顯塑性變形。錨桿排距為1.5m時，塑性區(qū)范圍明顯擴展，約為1.4m排距的1.6～1.9倍。

圖5 不同方案巷道圍巖塑性區(qū)分布

4 支護參數設計

根據數值計算結果結合工程經驗，以153102巷為示范巷道進行支護參數設計，巷道設計斷面為矩形，寬度5m，高度2.8m，掘進斷面積14m2。

頂板支護：采用桿體直徑為20mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，鋼號為MSGLW400，長度2m。每排布置4根，排距1.4m，間距1.4m，采用2支樹脂錨固劑加長錨固，錨固力不低于100kN，錨桿預緊扭矩為300N·m。錨索直徑為15.24mm，長度5.3m，排距4.2m，鋼絞線抗拉強度為1860MPa，延伸率3.5%。垂直頂板巖層打設，預緊力不低于150kN。

巷幫支護：錨桿規(guī)格與頂板相同，每幫每排布置3根，排距1.4m，間距1.1m，加長錨固，錨桿預緊扭矩為300N·m。采用經緯網護幫，規(guī)格為1.2m×4.6m，網孔規(guī)格50mm×50mm，用雙股16號綁絲孔孔相連。

現場巷道施工后，采用“十字布點”法對巷道圍巖變形進行監(jiān)測，結果如圖6所示。

圖6 巷道圍巖變形監(jiān)測曲線

根據監(jiān)測結果，巷道兩幫移近量最大為273mm，為初始巷道寬度的5.46%；頂底板移近量最大為291mm，為初始巷道高度的10.4%，其中頂板下沉量為59mm，占總變形量的20.3%，底鼓量為232mm，占總變形量的79.7%。巷道圍巖變形量較小，說明優(yōu)化后的錨桿支護參數能夠滿足巷道的安全使用要求。

采用錨桿測力計監(jiān)測錨桿受力，結果如圖7所示。整體上來看，錨桿受力變化波動較小，且多數呈遞增趨勢，說明錨桿發(fā)揮了應有的支護效果，起到了控制圍巖變形的作用。

圖7 巷道錨桿受力監(jiān)測曲線

5 主要結論

(1) 采用水壓致裂法進行地應力原位測試，得到σH為9.29MPa，σh為5.14MPa，σv為7.65MPa，屬于低值應力范圍。σH由東南至西北方向呈減小趨勢。

(2)根據底板巖石礦物成分分析，巷道直接底板為鋁質泥巖，黏土礦物占比達到36.5%，以伊蒙混層、伊利石為主，遇水易膨脹。從巷道掘進過程的變形監(jiān)測可以看出，圍巖變形以底鼓形式為主，因此，對此類有膨脹性圍巖巷道應采取有效的控水措施。

(3)基于現場測試結果，利用FLAC軟件建立數值模型并進行多方案比較，模擬結果表明錨桿合理排距為1.4m，巷道變形量和塑性區(qū)分布范圍相對較小。

(4)選擇典型巷道進行支護參數優(yōu)化設計，并進行井下試驗，通過圍巖表面位移、錨桿工作阻力監(jiān)測，為支護方式正確選取和支護參數合理優(yōu)化提供更加真實、全面的反饋信息，為以后同類條件巷道支護提供借鑒。

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