厚層復(fù)合頂板大斷面煤巷圍巖控制方案設(shè)計(jì)

李學(xué)金

（山西省段王煤業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 晉中 045400）

1 概況

山西壽陽(yáng)縣段王煤礦9#煤層位于太原組上部，在本井田大部分地區(qū)與8#煤層合并，分層間距0～14.85m，平均2.03m。8#煤層分層厚度0～2.53m，平均 1.24m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含 0～1層夾矸，夾矸單層最大厚度為0.25m；9#煤層厚度0.80～6.70m，平均4.22m，含0～4層夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單～復(fù)雜，夾矸單層最大厚度為0.90m。

8#煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，厚度5.0～14.3m，平均6.70m。與9#煤層合并區(qū)，底板為9#煤層底板；在非合并區(qū)，底板為泥巖，厚度0～14.85m。9#煤層與8#煤層合并區(qū)，頂板為8#煤層頂板；在非合并區(qū)，頂板為泥巖、炭質(zhì)泥巖。底板為細(xì)砂巖，厚度3.12～6.20m，平均4.10m，節(jié)理、裂隙較發(fā)育。

由于在本井田大部分地區(qū)，8#煤層與9#煤層合并，因此8+9#煤層采用聯(lián)合開采。在090507工作面范圍內(nèi)，兩煤層間距在0～0.9m，平均0.6m，預(yù)計(jì)工作面推采至切眼向東560m左右時(shí)8+9#煤合并，平均厚度4.6m。090507回風(fēng)巷為8+9#煤層服務(wù)，如何解決厚層復(fù)合頂板大斷面煤巷的圍巖控制穩(wěn)定問(wèn)題，成為該礦安全回采的關(guān)鍵課題之一。

2 巷道維護(hù)難點(diǎn)

（1）厚層復(fù)合頂板煤巷屬于軟巖、采動(dòng)影響綜合作用的巷道，表現(xiàn)為全斷面來(lái)壓，不僅在掘進(jìn)和回采過(guò)程中，巷道因采掘影響引起圍巖劇烈變形，而且在應(yīng)力分布趨向穩(wěn)定后仍保持快速流變，維護(hù)十分困難。

（2）斷面尺寸大。巷道斷面設(shè)計(jì)規(guī)格為4500mm×3500mm，開切眼跨度達(dá)到7200mm。對(duì)巷道支護(hù)強(qiáng)度提出了更高的要求。

（3）巷道層位問(wèn)題。8+9#煤層巷道層位跟進(jìn)困難，面臨跟進(jìn)9煤頂板、底板或者破頂一段距離等多種選擇，并且在厚層復(fù)合頂板易垮落下沉的情況下很難跟進(jìn)一個(gè)標(biāo)志性層位。

（4）頂板兜冒問(wèn)題。雖然8+9#煤采用了網(wǎng)孔較小的菱形金屬網(wǎng)配合鋼筋梯子梁護(hù)表支護(hù)起到一定作用，但是頂板兜冒問(wèn)題仍然嚴(yán)重。工人需及時(shí)剪網(wǎng)放兜冒，費(fèi)工費(fèi)時(shí)費(fèi)物料。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

巷道斷面為矩形，斷面尺寸為：寬×高=4.5m×3.5m，計(jì)算模型尺寸寬×高=54.5m×45.5mm，共劃分20056個(gè)單元，模型的左、右、下邊界均為位移固定約束邊界，上邊界為應(yīng)力邊界，按上覆巖層厚度施加均布載荷。考慮巖層所處層位，在模型上邊界施加巖層自重應(yīng)力4.28MPa，水平應(yīng)力自下至上以應(yīng)力梯度為25kPa/m的速度減小，模型的底部其應(yīng)力為5.42MPa。巖石相關(guān)力學(xué)參數(shù)參照表1選取。

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

巷道開挖后未支護(hù)時(shí)的垂直應(yīng)力場(chǎng)如圖1所示，從應(yīng)力圖中可見巷道的頂板中部和底板中部均出現(xiàn)大面積的零應(yīng)力區(qū)域甚至張拉應(yīng)力區(qū)，說(shuō)明巷道頂板已經(jīng)發(fā)生大面積冒落，巷道底板碎脹鼓起。頂板和幫部的應(yīng)力集中區(qū)域向遠(yuǎn)離巷道表面的方向發(fā)展，說(shuō)明巷道表面圍巖受壓破碎松動(dòng)圈較大。

圖1 垂直應(yīng)力圖

圖2 塑性區(qū)分布規(guī)律圖

巷道開挖后塑性區(qū)分布如圖2所示，在巷道開挖過(guò)程中不可避免地在巷道周圍圍巖產(chǎn)生破碎塑性圈，未進(jìn)行支護(hù)時(shí)的巷道塑性圈在巷道周圍呈現(xiàn)為近圓形的均勻分布，巷道的復(fù)合頂板發(fā)生大面積的剪切破壞。

巷道開挖至穩(wěn)定后，巷道的水平位移和垂直位移場(chǎng)如圖3所示。巷道左右兩幫的位移量都在75～90mm之間，幫部的變形較小，頂?shù)装逦灰屏繛?0～90mm，頂板的位移變形量較大，可見復(fù)合頂板的破壞下沉是巷道變形的主要原因。

圖3 巷道位移場(chǎng)分布圖

4 圍巖控制方案

根據(jù)巷道工程地質(zhì)條件及數(shù)值模擬分析，確定支護(hù)方案及參數(shù)，如圖4所示。

（1）頂板布置6根MSGLW-335/18×2200左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)錨桿，間排距860×900mm，靠近巷幫的頂板錨桿安設(shè)角度為與鉛垂線成15°；長(zhǎng)度4.5m的4700×75×12mm鋼帶，Φ12mm鋼筋焊制而成H型鋼筋梯子梁，配合鋼筋網(wǎng)護(hù)表；MSCK/Z2360雙速樹脂錨固劑、MSZ2335中速樹脂錨固劑各1支，加長(zhǎng)錨固；預(yù)緊力40～60kN。

（2）頂板錨索為“2-2-2”布置形式，間排距為1720×900mm，外扎25°，規(guī)格為SKP15.24-7/1860，長(zhǎng)度6.15m，采用兩支MSCK/Z2360超快速錨固劑錨固；每套錨索均應(yīng)采用萬(wàn)向調(diào)心球墊，張拉力不小于80～120kN。

（3）兩幫各布置4根MSGM-235/16×1800左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)錨桿，靠近頂?shù)装宓膸筒垮^桿安設(shè)角度為與水平線成15°；長(zhǎng)度為3.7m的鋼帶，配合鐵絲網(wǎng)護(hù)表；MSCK/Z2360雙速樹脂錨固劑、MSZ2335中速樹脂錨固劑各1支，加長(zhǎng)錨固；預(yù)緊力不小于30kN。

圖4 圍巖控制方案及參數(shù)

5 小結(jié)

采用該支護(hù)方案，巷道在掘進(jìn)及回采過(guò)程中經(jīng)受了煤巖蠕變、煤體風(fēng)化、工程擾動(dòng)影響的考驗(yàn)，圍巖變形較小，達(dá)到了預(yù)期的支護(hù)效果。說(shuō)明在厚層復(fù)合頂板大斷面煤巷中，采用長(zhǎng)錨桿、錨索配合槽鋼組成錨索梁加強(qiáng)支護(hù)，施加高預(yù)緊力，可以在頂板中形成穩(wěn)定的承載梁結(jié)構(gòu)，對(duì)頂板離層及巷道的表面收斂起到有效的控制作用。