大斷面煤巷穩(wěn)定性及預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護

王 飛

(山西固莊煤礦 ，山西 陽泉 045060)

近年來大斷面煤層巷道得到廣泛應(yīng)用，部分巷道寬度己達5 m～6 m，斷面面積達15 m2～20 m2 [1]。研究表明，大斷面煤巷在回采中極易出現(xiàn)頂板中部開裂、兩端臺階下沉、兩幫淺部煤體破碎片幫、底板鼓起開裂及大量支護體和構(gòu)件破斷和失效等問題[2]。實現(xiàn)采動劇烈影響下大斷面煤巷的穩(wěn)定性控制，對厚煤層安全高效開采具有重要意義。

有關(guān)學(xué)者對煤層巷道變形特征、采動對工作面巷道穩(wěn)定性影響和桁架支護等進行了大量研究，但對劇烈采動影響下大斷面煤巷的高效支護研究較少[3]。本文采用數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場實測方法，分析了某煤礦20102工作面煤巷(斷面規(guī)格為寬×高：5 200 mm×3 500 mm)圍巖活動規(guī)律和破壞失穩(wěn)機理，提出了預(yù)應(yīng)力桁架錨索加固技術(shù)及參數(shù)，為類似條件工作面煤巷穩(wěn)定性控制提供借鑒。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

某礦現(xiàn)主采2#煤，煤厚5.91 m～7.44 m，平均厚度6.52 m，2#煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為3.24 m；老頂為細(xì)砂巖，平均厚度為3.93 m；底板為炭質(zhì)泥巖，平均厚度為1.18 m。

布置的20102工作面采用綜合機械化放頂煤回采，采放比1：1.17。兩工作面間的區(qū)段煤柱寬度為19.4 m，工作面布置見圖1。其中，20102工作面走向長度225 m，傾向長度1 400 m。

20102工作面回風(fēng)巷為矩形斷面，斷面(寬×高)規(guī)格為5 200 mm×3 500 mm，凈斷面15.5 m2，采用錨網(wǎng)索+鋼筋梯聯(lián)合支護。

圖1 20102工作面位置示意圖Fig.1 20102 working face location

2 采動劇烈影響下煤巷變形活動規(guī)律

2.1 采動影響下大斷面煤巷支護失效特征

20102工作面回風(fēng)巷受臨近20104綜放面支承壓力、采動動壓疊加作用，巷道圍巖嚴(yán)重變形破壞[3]。具體情況如下：

1)頂板冒頂，在礦壓作用下煤層頂板嚴(yán)重破碎，冒頂高度為1 m～2 m；同時巷道頂板整體嚴(yán)重下沉，下沉量達500 mm～1 000 mm，部分頂板錨索錨桿失效，金屬網(wǎng)出現(xiàn)撕裂及網(wǎng)兜。

2)巷幫垮塌片幫，煤體擴容現(xiàn)象明顯，相當(dāng)長度的巷幫已經(jīng)完全垮塌，幫部鼓出量可達1 m；幫部錨桿失效、托盤變形和網(wǎng)片撕裂現(xiàn)象較普遍。

3)巷道底板普遍底鼓，底鼓量達0.5 m～1 m以上，導(dǎo)致底板鋪設(shè)的混凝土開裂損毀，已無法正常運輸和通行。

2.2 采動影響下大斷面煤巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

根據(jù)該礦20102綜放工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用UDEC軟件建立數(shù)值計算模型，煤層厚度6.6 m，巷道尺寸(寬×高)為5.2 m×3.5 m。模型走向長度為200 m，垂直高度為60 m，開挖工作面長度為100 m，煤層和頂?shù)装寰鶆澐譃?.5 m×0.5 m的塊體，取側(cè)壓λ=1.0。巖塊采用莫爾-庫倫模型，節(jié)理采用接觸庫倫滑移模型[4]。模擬得到圖2工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征及圖3破壞變形規(guī)律。

分析可知圖2中基本頂破斷形成A、B塊體，破斷后頂板發(fā)生冒落和以斷裂線為軸的回轉(zhuǎn)，使得巷道圍巖出現(xiàn)大范圍的拉伸屈服破壞。其中關(guān)鍵塊 B 的回轉(zhuǎn)下沉運動造成了沿空巷道頂板出現(xiàn)向下的撓度變形，最終導(dǎo)致沿空巷道失穩(wěn)破壞。

圖2 工作面覆巖結(jié)構(gòu)特征及破壞Fig.2 Structure and failure of overlying strata in working face

圖3 工作面覆巖移動變形規(guī)律Fig.3 Movement and deformation of overlying strata in working face

從圖3可看出，隨著工作面回采，實體煤、巷道和區(qū)段煤柱均出現(xiàn)較大垂直位移，越靠近工作面位移量越大，其中巷道頂板垂直位移達到650 mm；而越靠近巷道表面，圍巖位移越大、變形越明顯。

大斷面煤巷在經(jīng)歷相鄰綜放面和本工作面采動影響下，礦山壓力變化規(guī)律是：①煤層巷道掘巷形成后即承受支承壓力影響，在應(yīng)力調(diào)整穩(wěn)定后進入掘進影響穩(wěn)定期。②臨近工作面回采后，煤巷受到側(cè)向超前支承壓力的作用；在相鄰工作面回采和采空區(qū)巖層運移垮落中，受到側(cè)向支承壓力及動壓疊加作用；在相鄰綜放面推過較長的距離后，采空區(qū)上覆巖層活動將趨于穩(wěn)定，煤巷再經(jīng)受減弱的側(cè)向支承壓力的作用并進入側(cè)向支承壓力穩(wěn)定期。③本工作面回采時，工作面巷受到工作面采動及應(yīng)力集中的疊加作用。

3 大斷面煤巷桁架錨索聯(lián)合支護

由上述分析可知，該礦大斷面煤巷變形破壞有以下原因：

1)巷道掘進斷面大。為滿足高強綜放開采的需要，20102區(qū)段回風(fēng)平巷掘進斷面為18.2 m2，其中跨度5.2 m，巷道跨度增大使巷道圍巖應(yīng)力和變形急劇增長。

2)采動影響劇烈。20102回風(fēng)平巷服務(wù)期受上區(qū)段相鄰工作面和本工作面回采影響，支承應(yīng)力作用時間長、范圍廣、程度劇烈。

3)圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，煤巖體破碎。巷道布置在煤層，兩幫為軟弱破碎煤體，直接頂板為夾矸厚煤層，在支承壓力反復(fù)作用下易產(chǎn)生離層破壞和垮落；底板為泥巖，泥質(zhì)膠結(jié)，強度較低，遇水軟化、泥化。

4)原有支護設(shè)計中，頂板錨索、錨桿不能提供水平方向預(yù)緊力，在頂板巖層變形下沉中易受到剪切作用發(fā)生剪切破壞，不利于巷道頂板在水平方向上形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。而預(yù)應(yīng)力桁架錨索聯(lián)合控制系統(tǒng)能在水平和鉛垂方向同時提供主動支護力，桁架錨索長度大、抗剪性能強，鋼絞線與頂板成線接觸，鋼絞線上的載荷能連續(xù)傳遞，支護作用范圍大，松散破碎頂板受力狀態(tài)好。

由此提出預(yù)應(yīng)力桁架錨索聯(lián)合支護，確定錨索桁架角度為75°，錨索桁架伸入鉆孔深度為8 m，孔口幫距為1.55 m，預(yù)緊力為140 kN。頂錨桿為螺紋鋼錨桿，材質(zhì)為螺紋鋼，桿體直徑為20 mm，長度為2.5 m；實體煤幫錨桿為玻璃鋼錨桿，直徑為20 mm和18 mm，長度為2.0 m。煤柱幫錨索為小孔徑樹脂錨索，直徑為17.8 mm，長度為6.3 m，具體布置方式和參數(shù)見圖4。

4 工業(yè)性試驗

在2017年2月10日至2月27日，進行了共計17天的現(xiàn)場工業(yè)性試驗。在20102綜放工作面回風(fēng)巷進行預(yù)應(yīng)力桁架錨索聯(lián)合支護，同時布置4個測站(如表1所示)，對效果實測分析，分析結(jié)果見圖5。

表1 頂板離層儀安裝位置Table 1 Installation of roof separation indicator

4-a 支護方案正視圖

4-b 支護方案水平投影圖圖4 大斷面煤層巷道預(yù)應(yīng)力桁架錨索聯(lián)合支護Fig.4 Pre-stressed truss-anchor-cable support in large cross-sectional roadways

圖5 20102工作面區(qū)段運輸平巷試驗段圍巖變形曲線Fig.5 Deformation curves of surrounding rock in testing section of transportation roadway in 20102 working face

對圖5中煤巷圍巖實際變形分析可得：3#測站距切眼90 m，在3#測站距工作面前方50 m時，圍巖變形基本不受采動影響，圍巖變形緩慢增長；工作面距測站35 m時測站圍巖受采動影響較為劇烈，變形呈現(xiàn)快速增長趨勢，且兩幫變形速度、變形量均大于頂?shù)装?，但圍巖總體移近量較小。當(dāng)工作面推進至測站，巷道頂板累計下沉量115 mm，兩幫累計移近量160 mm，巷道整體變形量在安全范圍之內(nèi)。

礦壓實測發(fā)現(xiàn)桁架錨索聯(lián)合支護下煤層巷道圍巖變形量較小，兩幫對采動影響較為敏感，頂板控制效果則較理想，較好的實現(xiàn)了對采動影響下大斷面煤巷的安全控制。

5 結(jié)論

1)受采動劇烈影響，加之掘進斷面大，圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，大斷面煤層巷道回采中極易出現(xiàn)冒頂、底鼓和巷幫垮塌片幫等破壞及錨桿索失效、金屬網(wǎng)撕裂等支護失效形式。

2)采動影響、斷面尺寸和圍巖巖性是巷道穩(wěn)定的主要影響因素，提出預(yù)應(yīng)力桁架錨索聯(lián)合支護技術(shù)和參數(shù)，確定錨索桁架角度為75°，錨索桁架伸入鉆孔深度為8 m，孔口幫距為1.55 m，預(yù)緊力為140 kN。

3)工業(yè)性試驗中大斷面煤層巷道頂板累計下沉量115 mm，兩幫累計移近量160 mm，巷道圍巖變形量較小、變形速度穩(wěn)定可控，滿足要求。