復(fù)合頂板巷道支護(hù)技術(shù)研究

王繼松

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)臨汾有限公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

復(fù)合頂板在煤礦礦區(qū)中存在較為普遍，因井巷開挖擾動，圍巖應(yīng)力重新分布，復(fù)合頂板將會發(fā)生不均勻塑性變形，圍巖結(jié)構(gòu)面受到剪應(yīng)力增大和原巖自重作用力，會造成剪切錯(cuò)動離層，相鄰的巖層受力情況不同而導(dǎo)致彎曲程度也不同，軟弱巖層容易遭受剪切斷裂，軟弱結(jié)構(gòu)面極易發(fā)生彎曲離層。尤其在開采深部煤層時(shí)，圍巖應(yīng)力較淺部煤層更加明顯，復(fù)合頂板發(fā)生塑性變化程度顯著增加，松動圈范圍顯著擴(kuò)大。當(dāng)復(fù)合頂板發(fā)生塑性變化達(dá)到一定程度或者臨界值時(shí)，復(fù)合頂板會發(fā)生剪切錯(cuò)動，造成局部或大范圍內(nèi)的斷裂和垮落；當(dāng)前，復(fù)合頂板冒頂事故頻發(fā)，可能會造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，對復(fù)合頂板控制技術(shù)的深入研究對煤礦高產(chǎn)高效具有深遠(yuǎn)的意義[1]。

1 工程概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)同富新煤業(yè)回采10#煤層，該煤層位于太原組下段頂部，K2石灰?guī)r之下，上距2#煤層平均距離為58 m。厚度為1.5～2.8 m，平均厚度為2.09 m，傾角為3°～10°，煤層硬度f值為2～3，節(jié)理裂隙較發(fā)育，為沉積穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單-較簡單的全區(qū)大部分可采中厚煤層。頂板為K2石灰?guī)r，平均厚度為4.91 m，灰?guī)r為深灰色，質(zhì)地堅(jiān)硬、性脆，屬堅(jiān)硬巖石，巖體完整時(shí)構(gòu)成了堅(jiān)硬極難冒落頂板，飽和抗壓強(qiáng)度48.5～58.8 MPa，屬Ⅲ類穩(wěn)定型頂板；底板以砂質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖為主，平均厚度4.73 m，黑色砂質(zhì)泥巖飽和抗壓強(qiáng)度27.6 MPa，屬中硬巖層，為Ⅱ類中硬類底板。

首采面為10101工作面，掘進(jìn)過程中頂板多處冒落，同時(shí)，頂板有整體下垮，壓垮兩幫的趨勢。為了滿足生產(chǎn)接替需要，在掘進(jìn)10201運(yùn)輸順槽和10201回風(fēng)順槽時(shí)，利用中國礦業(yè)大學(xué)YTJ20型巖層探測窺視儀勘查發(fā)現(xiàn)，直接頂堅(jiān)硬頂板K2灰?guī)r內(nèi)包含多層黃泥夾層，黃泥夾層厚度最厚處竟達(dá)60 mm，黃泥夾層層位均位于2.3～4.2 m之間，嚴(yán)重影響了頂板的穩(wěn)定性，同時(shí)給頂板支護(hù)帶來了嚴(yán)重的困難。

2 巷道變形破壞機(jī)理與原因分析

2.1 復(fù)合頂板煤巷變形破壞機(jī)理

復(fù)合頂板包括2種類型：軟硬巖層相互間隔組成、頂板下部為幾層軟弱巖層而頂板上部為穩(wěn)定性較好的堅(jiān)硬厚巖層。復(fù)合頂板的特點(diǎn)是各層巖層大都地質(zhì)弱面(包括節(jié)理、裂隙)發(fā)育，各巖層厚度較小或者厚巖層存在分層且各分層厚度都較小，各巖層之間粘結(jié)力很小甚至沒有粘結(jié)力。根據(jù)彈塑性力學(xué)的理論，復(fù)合頂板煤巷圍巖的變形破壞，一般有以下規(guī)律。

載荷：巷道開挖后，橫向荷載和縱向荷載作用于下位頂板巖層，對頂板撓度影響規(guī)律有本質(zhì)差別，橫向荷載增大只引起量變，縱向荷載增大會引起質(zhì)變。縱向均布荷載在理論上存在一極限值，當(dāng)縱向均布荷載趨向于該值時(shí)，板撓度趨向于無窮大，該值稱為臨界均布荷；當(dāng)縱向均布荷載超過臨界值后，頂板將會產(chǎn)生潰屈破壞[2]。

臨界應(yīng)力：影響臨界應(yīng)力的主要因素是跨厚比，其次是彈性模量和泊松比。跨厚比體現(xiàn)了層面間距和巷道跨度的關(guān)系，層面和節(jié)理的分布以及工程尺寸是影響頂板穩(wěn)定性最重要的因素。

煤幫穩(wěn)定性：應(yīng)用彈性基礎(chǔ)梁理論和極限平衡理論推導(dǎo)了煤幫塑性區(qū)寬度和煤幫水平位移的表達(dá)式，進(jìn)而分析得出加強(qiáng)頂板和兩幫支護(hù)都能夠提高煤幫穩(wěn)定性。煤幫穩(wěn)定性的因素較多，這里主要探討容易實(shí)現(xiàn)人工控制的一些因素對煤幫穩(wěn)定性的影響，它們分別是煤幫支護(hù)力和頂板巖梁的剛度[3-4]。

2.2 復(fù)合頂板煤巷變形破壞原因

該礦井10201順槽巷道頂板為典型的復(fù)合頂板煤巷。原設(shè)計(jì)采用普通樹脂錨桿、錨網(wǎng)及工字鋼棚的聯(lián)合支護(hù)。分析頂板失穩(wěn)、巷道變形破壞原因如下。

復(fù)合頂板巖層的早期變形沒有得到有效地控制，而產(chǎn)生這種情況的原因是錨桿支護(hù)不及時(shí)和錨桿支護(hù)的主動支護(hù)作用沒有發(fā)揮。存在軟弱夾層的復(fù)合頂板，錨桿與圍巖達(dá)不到耦合，不能有效承載圍巖應(yīng)力。當(dāng)巷道開挖后，復(fù)合頂板可視為簡支組合梁，由三向受力轉(zhuǎn)變?yōu)槎蚴芰?，由于普通錨桿無預(yù)緊力，不能使得頂板由二向受力在最短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰?，?fù)合頂板發(fā)生不均勻塑性變形而彎曲離層；當(dāng)頂板變形達(dá)到臨界值時(shí)，復(fù)合頂板會發(fā)生剪切錯(cuò)動，離層整體下垮，不能有效控制圍巖變形[5]。

架棚支護(hù)時(shí)，工字鋼頂梁與巷道圍巖之間存在一定的間隙，架棚支護(hù)的初撐力很小，不能對圍巖的早期變形及頂板的撓曲下沉進(jìn)行有效的約束。當(dāng)圍巖的變形達(dá)到一定的數(shù)值后，支架的作用力才逐漸增加，由于支架的承載能力增長緩慢，支架并不能有效的限制圍巖變形，復(fù)合頂板持續(xù)撓曲下沉，圍巖的自承能力顯著降低，頂板離層開裂，頂板淺部巖體形成松動圍巖壓力，多數(shù)情況為膨脹動荷載與松動靜荷載聯(lián)合作用在支架頂梁上，頂板深部巖體持續(xù)變形；砂質(zhì)、鋁質(zhì)泥巖底板，巷道開挖后遇水軟化、膨脹，棚腿受垂直壓力和水平壓力作用而主要發(fā)生向下、向內(nèi)的位移而失穩(wěn)，最終導(dǎo)致礦工鋼支護(hù)失效以及巷道的跨落與破壞。

3 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 理論依據(jù)

根據(jù)傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)理論，對于復(fù)合頂板較厚的矩形回采巷道，應(yīng)該用組合梁理論予以解釋。結(jié)合上述復(fù)合頂板變形破壞機(jī)理和原因分析，復(fù)合頂板煤巷穩(wěn)定性控制的途徑[6]。

錨桿的加固作用：在復(fù)合頂板圍巖中，發(fā)揮錨桿的組合加固作用，能大大減小圍巖變形和彎張應(yīng)力，加固圍巖提高其自穩(wěn)自承能力的作用。

復(fù)合頂板的支護(hù)：復(fù)合頂板的支護(hù)應(yīng)該對錨桿施加較大的預(yù)緊(應(yīng))力，將錨固范圍內(nèi)頂板巖層壓緊，增大巖層間的摩擦力，阻止錨固區(qū)各巖層間的離層及層間錯(cuò)動，提高厚層復(fù)合頂板的整體強(qiáng)度，加強(qiáng)厚層復(fù)合頂板的整體抗彎剛度，在巷道頂板形成具有一定厚度、強(qiáng)度及抗彎剛度的組合梁，使錨固體共同變形，形成一個(gè)整體承載結(jié)構(gòu)，共同支承圍巖載荷，從而能有效地控制復(fù)合頂板的早期變形[7]。

加固兩幫：提高復(fù)合頂板煤巷兩幫支護(hù)強(qiáng)度和煤體殘余強(qiáng)度，加固兩幫是控制復(fù)合頂板煤巷圍巖變形的有效技術(shù)途徑。一定范圍內(nèi)支護(hù)阻力與圍巖變形量呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，提高支護(hù)阻力可大大減少圍巖變形量，有利于巷道圍巖穩(wěn)定[8]。

3.2 錨桿規(guī)格選擇

10201運(yùn)輸順槽頂板和兩幫都選用規(guī)格為HRB335、φ22 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿。HRB335左旋螺紋鋼錨桿破斷載荷不小于180 kN，延伸率不小于20.3%，尾部螺紋均采用滾絲機(jī)加工，長度不小于120 mm。錨桿采用樹脂藥卷錨固，每根錨桿使用1支CK2835和1支Z2850樹脂藥卷錨固，錨桿配套使用半球形墊圈、樹脂減摩墊圈、快速安裝螺帽。碟型鋼托盤規(guī)格：120 mm×120 mm×10 mm，要求托盤厚度不得小于10 mm。

3.3 錨索規(guī)格選擇

根據(jù)該煤礦頂板巖性特征和地質(zhì)情況，選用長度約為5～7 m的小孔徑錨索。預(yù)應(yīng)力錨索的主要部件為鋼絞線、錨具和錨固劑。鋼絞線的選用要求為高強(qiáng)度、韌性好、低松弛，實(shí)現(xiàn)自身攪拌樹脂藥卷快速安裝。根據(jù)10201運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽的地質(zhì)及力學(xué)參數(shù)和數(shù)值模擬結(jié)果，確定所掘10201運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽選用規(guī)格為φ18.9 mm×6 300 mm。

3.4 具體支護(hù)方案

10201運(yùn)輸順槽巷掘進(jìn)斷面為4 000 mm×2 900 mm，沿煤層頂板掘進(jìn)。

頂板：用網(wǎng)孔大小為50 mm×50 mm的菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，錨索加強(qiáng)支護(hù)。鋼筋梯子梁使用φ12 mm的鋼筋焊接，菱形金屬網(wǎng)采用10#鍍鋅鐵絲編制。選用規(guī)格φ22 mm×2 400 mm的樹脂錨桿，每排4根錨桿，間排距為1 100 mm×1 000 mm，樹脂藥卷錨固(CK2335、Z2360各1支)，碟形托盤尺寸規(guī)格120 mm×120 mm×10 mm、配合半球形墊圈和快速安裝螺帽。頂板錨索規(guī)格為φ18.9 mm×6 300 mm的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索，間排距為1 400 mm×2 000 mm，樹脂藥卷錨固(CK2335、Z2360各2支)，碟形鋼板托盤尺寸規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm、配套鎖具、調(diào)心球形墊圈。

兩幫支護(hù)：用網(wǎng)孔大小為50 mm×50 mm的菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫。該金屬網(wǎng)由10#鍍鋅鐵絲編制。選用規(guī)格為φ22mm×2 000 mm的錨桿，每排6根，間排距為1 000 mm×1 000 mm，樹脂藥卷錨固(CK2335、Z2360各1支)，配用尺寸規(guī)格為120 mm×120 mm×10 mm的碟形托盤、半球形墊圈和快速安裝螺帽。巷道支護(hù)斷面如圖1所示，單位為mm。

a-剖面圖；b-俯視圖圖1 巷道支護(hù)斷面圖

4 現(xiàn)場支護(hù)效果及效益分析

4.1 現(xiàn)場支護(hù)效果

改進(jìn)方案后，對10201運(yùn)輸順槽巷變形破壞情況進(jìn)行了礦壓觀測，為驗(yàn)證試驗(yàn)巷道錨桿的預(yù)緊效果，采用相應(yīng)的扭矩扳手和壓力表，得到扭矩與錨桿預(yù)緊力的關(guān)系。結(jié)果為：當(dāng)錨桿扭矩分別為200 N·m、250 N·m、300 N·m時(shí)，錨桿預(yù)應(yīng)力分別為30 kN、40 kN、50 kN。根據(jù)錨桿支護(hù)施工質(zhì)量規(guī)范，錨桿的預(yù)緊力應(yīng)達(dá)到30 kN。通過現(xiàn)場監(jiān)測，在施工完成的100 m巷道中，頂錨桿及幫錨桿的預(yù)緊力均達(dá)到了30 kN以上，液壓枕穩(wěn)定讀數(shù)均在50 kN以上。同時(shí)在巷道內(nèi)設(shè)置了礦壓觀測，對巷道兩幫、頂?shù)装宓淖冃我平窟M(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示，結(jié)果顯示巷道圍巖變形量大幅降低，巷道頂板穩(wěn)定性增強(qiáng)。因遇地質(zhì)條件發(fā)生變化和施工技術(shù)水平問題，巷道也存在少量維修情況，從現(xiàn)場情況來看，巷道維修率約為5%左右，聯(lián)合支護(hù)取得較好效果。

圖2 10201運(yùn)輸順槽巷道表面變形曲線

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

在原有支護(hù)方式下進(jìn)行優(yōu)化后，采用新方案進(jìn)行施工，先對這兩種方案的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，原設(shè)計(jì)方案錨桿間排距800 mm×800 mm，錨索間排距為1 400 mm×1 000 mm，并配合礦工鋼聯(lián)合支護(hù)。新設(shè)計(jì)方案錨桿間排距1 100 mm×1 000 mm，錨索間排距為1 400 mm×2 000 mm。根據(jù)兩種支護(hù)設(shè)計(jì)的參數(shù)，在材料單價(jià)相同的條件下測算，費(fèi)用匯總見表1。

表1 10201運(yùn)輸順槽兩種支護(hù)方案每米費(fèi)用匯總

對比2種不同支護(hù)方式每米費(fèi)用消耗，新方案每米初次支護(hù)費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用均降低達(dá)2 874.56元。因此，10201運(yùn)輸順槽(設(shè)計(jì)長度1 000 m)新支護(hù)方案較原方案節(jié)省費(fèi)用280余萬元。

5 結(jié)論

(1)以10201運(yùn)輸順槽復(fù)合頂板煤巷為例，根據(jù)工程地質(zhì)資料和現(xiàn)場實(shí)測情況分析，復(fù)合頂板煤巷變形破壞的原因在于，不僅普通錨桿無預(yù)緊力，錨桿與圍巖達(dá)不到耦合，錨桿支護(hù)不及時(shí)和錨桿支護(hù)的主動支護(hù)作用沒有發(fā)揮，而且架棚支護(hù)的初撐力小、承載能力增長緩慢，不能有效承載圍巖應(yīng)力，復(fù)合頂板巖層的早期變形沒有得到有效地控制。

(2)復(fù)合頂板煤巷支護(hù)，應(yīng)本著及時(shí)、早強(qiáng)的原則進(jìn)行。對錨桿施加較大的預(yù)緊(應(yīng))力，盡早進(jìn)行錨索支護(hù)，在巷道開挖后短時(shí)間內(nèi)使頂板形成具有一定厚度、強(qiáng)度及抗彎剛度的組合梁，使錨固體共同變形并整體承載，有效控制復(fù)合頂板的早期變形。

(3)提高復(fù)合頂板煤巷兩幫支護(hù)強(qiáng)度和煤體殘余強(qiáng)度，加固兩幫是控制復(fù)合頂板煤巷圍巖變形的有效技術(shù)途徑。

(4)在復(fù)合頂板煤巷錨桿作用機(jī)理分析和研究試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用錨桿—錨索聯(lián)合支護(hù)的方案，確定了相應(yīng)錨桿、錨索及配套支護(hù)材料的支護(hù)參數(shù)。

(5)10201運(yùn)輸順槽巷道支護(hù)試驗(yàn)證明，復(fù)合頂板錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)是可行的。不僅改善了巷道維護(hù)狀況、提高巷道安全施工效率、降低了巷道掘進(jìn)與維護(hù)成本，體現(xiàn)了較好的安全經(jīng)濟(jì)效益，而且為類似復(fù)合頂板煤巷支護(hù)提供了可靠的理論依據(jù)和技術(shù)途徑。