煤巷復(fù)合頂板承載特性及支護(hù)技術(shù)研究

高振華

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

辛置煤礦10-428B 工作面位于540 水平、東四左翼采區(qū)。工作面走向長度為829m，傾向長度240m，主采10#煤層，煤層均厚為2.6m，平均傾角為4°。煤層直接頂為9#煤和泥巖，均厚為3m，其中9#煤的厚度為0.9m，泥巖的厚度為1.8~2.4m；直接頂為K2 灰?guī)r，均厚為8m；直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚為0.8m；基本底為中砂巖，均厚為7m。10-428B工作面采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，設(shè)計平均采高2.6m。

10-428B 工作面回風(fēng)巷斷面為矩形，斷面尺寸為凈寬×凈高=4500mm×3200mm。巷道原有支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板錨桿及兩幫錨桿均采用Φ22mm×2200mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，其中頂部錨桿的間排距為600mm×600mm，兩幫錨桿的間排距為750mm×750mm；頂板錨索采用Φ17.6mm×6500mm 的1×7 股鋼絞線，間排距為1200mm×2100mm。支護(hù)參數(shù)如圖1 所示?；仫L(fēng)巷在原有支護(hù)方案下，巷道在掘進(jìn)至停采線100m 的位置時，復(fù)合頂板下沉量出現(xiàn)持續(xù)增大的情況，且局部頂板出現(xiàn)嚴(yán)重下沉現(xiàn)象，嚴(yán)重制約巷道的正常掘進(jìn)，急需對回風(fēng)巷原有的支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 10-428B 工作面回風(fēng)巷原支護(hù)斷面圖

2 復(fù)合頂板承載特性分析

為充分了解10-428B 工作面復(fù)合頂板的特性，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對工作面回風(fēng)巷在不支護(hù)時復(fù)合頂板的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析。針對煤巷復(fù)合頂板進(jìn)行定性分析，對頂板塑性區(qū)的分布范圍、應(yīng)力的變化情況等具有一定的指導(dǎo)意義。

根據(jù)10-428B 工作面的地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型長×寬×高=20m×30m×25.23m，分別模擬側(cè)壓系數(shù)為0、0.8、1.6 和2 時煤巷圍巖的變形情況和巷道塑性區(qū)的分布情況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖的位移情況如表1 所示，不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖塑性區(qū)的分布情況如圖2所示。

表1 不同側(cè)壓系數(shù)下巷道圍巖的變形量

圖2 不同側(cè)壓系數(shù)下圍巖塑性區(qū)分布狀態(tài)

通過分析表1 可知，巷道兩幫及頂板變形量隨圍巖側(cè)壓系數(shù)的增大而逐漸增大，且頂板下沉量的變化受到側(cè)壓系數(shù)的影響較為明顯。通過分析圖2可知，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ=0 時，此時圍巖受到剪應(yīng)力的影響較大，出現(xiàn)較大面積的剪切破壞。隨著側(cè)壓系數(shù)λ 的增大，巷道兩側(cè)支撐應(yīng)力的影響區(qū)域的范圍會逐漸增大，此時巖層中的摩擦力和水平應(yīng)力在逐漸增大，會使得一定范圍內(nèi)巖體的抗彎強(qiáng)度得到提高，但隨著側(cè)壓系數(shù)λ 的增大，圍巖會受到較大的水平擠壓力，進(jìn)而使得圍巖發(fā)生較大撓曲變形，出現(xiàn)塑性破壞。

基于上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)較小時，覆巖在垂直應(yīng)力的作用下頂板巖層會發(fā)生拉伸破壞；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)較大時，此時頂板下部巖層會由于屈服而發(fā)生破壞，可總結(jié)出不同側(cè)壓系數(shù)下復(fù)合頂板巖層的破壞特征和破壞范圍如下：

（1）水平側(cè)壓系數(shù)λ 對復(fù)合頂板巖層的破壞方式和破壞范圍有顯著的影響，側(cè)壓系數(shù)λ 較大時圍巖的破壞范圍比側(cè)壓系數(shù)λ 較小時的破壞范圍小，但頂板撓度較大。

（2）當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ 較大時，圍巖受到水平應(yīng)力的影響較明顯，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ 較小時，圍巖受到垂直主應(yīng)力的方向明顯。

（3）當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ 較大時，上部巖層基本保持不變，下部一定范圍內(nèi)的巖層會向下移動，進(jìn)而使得頂板易出現(xiàn)離層；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)λ 較小時，頂板巖層會出現(xiàn)整體下沉的現(xiàn)象，此時巖層間不易出現(xiàn)離層現(xiàn)象。

3 支護(hù)方案設(shè)計與效果分析

3.1 原支護(hù)方案問題分析

10-428B 工作面回風(fēng)巷在原有支護(hù)方式下頂板下沉量大，且局部區(qū)域出現(xiàn)破壞嚴(yán)重，10#煤層所處位置的水平側(cè)壓系數(shù)為0.8，側(cè)壓系數(shù)相對較小，結(jié)合數(shù)值模擬分析的復(fù)合頂板特性和工作面的具體地質(zhì)條件，回風(fēng)巷在原有支護(hù)方式下，頂板下沉量大的主要原因為錨桿（索）的長度確定時缺少對復(fù)合頂板承載特性的研究，原有錨桿（索）的設(shè)計缺乏科學(xué)性，設(shè)計長度過短，不能錨固到穩(wěn)定巖層內(nèi)，進(jìn)而使得其不能充分發(fā)揮承載能力，頂板便會出現(xiàn)較大的撓曲變形。

彈性填料密封，采用涂有耐油橡膠的尼龍布袋(也有直接采用丁腈橡膠)作為與罐壁接觸的滑行部件，內(nèi)部裝有彈性海綿或軟泡沫塑料塊，利用這類彈性填充物來達(dá)到與儲罐罐壁密封。這類密封在實際應(yīng)用中占比最大。

3.2 支護(hù)方案設(shè)計

根據(jù)上述分析對10-428B 工作面回風(fēng)巷的支護(hù)方案進(jìn)行具體優(yōu)化，其主要優(yōu)化參數(shù)為錨桿（索）長度和間排距。具體優(yōu)化設(shè)計如下：

（1）錨桿（索）長度優(yōu)化

① 錨桿長度。根據(jù)錨桿長度經(jīng)驗公式[1-2]：

式中：

kwy-圍巖影響系數(shù)，一般取0.9~1.2；

Bhd-巷道的跨度，根據(jù)地質(zhì)資料知回風(fēng)巷頂板為復(fù)合頂板，取kwy=1.2，Bhd=4.5m。

由式（1）能夠計算出錨桿長度Lmg=2.34，最終確定錨桿長度為2.6m。

式中：

b2-平衡拱的矢高，m；

a-巷道寬度的一半，m；

λ-側(cè)壓系數(shù)；

K-安全系數(shù)；

f-巖層間的摩擦系數(shù)；

l22-復(fù)合頂板極限平衡拱矢高，m；

l21-錨索的外露長度，m；

l23-錨索錨入穩(wěn)定巖層的長度，m。

根據(jù)10-428B 工作面的地質(zhì)條件可知a=2.25m，λ=0.8，f=1.98，K=2，將上述數(shù)據(jù)代入式（2）能夠得出b2=l22=6.54m。再考慮到錨索的外露長度l21=0.3m，錨索錨入穩(wěn)定巖層長度l23=0.5m，故可計算出錨索的設(shè)計長度L2=7.34m，具體實踐時取為7.4m。

（2）錨索間排距優(yōu)化

新奧法理論對松軟破碎圍巖的支護(hù)問題，提出錨桿間排距宜為0.8~1.0m，對于不穩(wěn)定圍巖，霍州煤電礦區(qū)的支護(hù)經(jīng)驗間排距為0.6~1.0m，基于此并結(jié)合10-428B 工作面回風(fēng)巷的具體情況，確定錨桿間排距為750×750mm，錨索間排距為1800×1000mm。

錨固長度：錨桿（索）的設(shè)計錨固長度的表達(dá)式[4]如下：

式中：

La1和La2-分別為錨桿（索）的設(shè)計長度，m；

K-錨桿（索）的安全系數(shù)；

D-鉆孔直徑，m；

P-極限拉拔載荷，kN；

τr-錨固劑與巖體間的粘結(jié)力，MPa。

在錨桿錨固長度設(shè)計時結(jié)合地質(zhì)條件取K=1.5，D=0.032m，P=95kN，τr=1.8MPa，代入式（3）計算得出錨桿的錨固長度La2=0.79m。在錨索的錨固長度設(shè)計時結(jié)合地質(zhì)條件取K=1.4，D=0.032m，P=320kN，τr=1.8MPa，代入式（3）計算得出錨索的錨固長度La2=2.48m。

綜合上述分析、計算，回風(fēng)巷優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)為：頂板錨桿采用Φ22mm×2600mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為750×750mm；頂板錨索采用 Φ17.6mm×7400mm 的1×7 股鋼絞線，間排距為1800mm×1000mm；兩幫錨桿采用Φ22mm×2200mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為750mm×750mm；同時采用Φ6mm 圓鋼焊制的網(wǎng)片進(jìn)行護(hù)幫護(hù)頂。具體回風(fēng)巷優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)如圖3 所示。

圖3 回風(fēng)巷優(yōu)化后支護(hù)斷面圖

3.3 效果分析

為了檢驗巷道的支護(hù)效果，分析巷道頂板的穩(wěn)定性對回風(fēng)巷試驗段（100m）的影響，每隔25m安裝1 個監(jiān)測站，共布置4 個監(jiān)測站，對巷道圍巖變形量進(jìn)行持續(xù)170d 的觀測。根據(jù)觀測結(jié)果巷道頂板圍巖變形監(jiān)控布置如圖4 所示。

圖4 10-428B 工作面回風(fēng)巷圍巖變形曲線

通過分析圖4 可知，10-428B 工作面運輸巷在采用優(yōu)化后的支護(hù)方案后，頂板巷道在掘進(jìn)過程中頂?shù)装遄冃嗡俣认鄬^大，其中頂?shù)装逡平恐械装辶繛槠渥冃蔚闹饕糠?。從圖中能夠看出50d 后巷道的變形量基本不再增加，巷道在觀測期間的頂?shù)装遄畲笞冃瘟啃∮?60mm，兩幫移近量小于200mm，其中頂板下沉量最大值為55mm，這說明優(yōu)化后的支護(hù)方案保證了復(fù)合頂板的穩(wěn)定，能夠有效地控制圍巖變形。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬分析不同側(cè)壓系數(shù)下復(fù)合頂板的承載特性，根據(jù)10-428B 工作面的具體地質(zhì)條件可知回風(fēng)巷屬于側(cè)壓系數(shù)較小的類型。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果對回風(fēng)巷原支護(hù)方案存在的問題進(jìn)行具體分析，并對支護(hù)方案進(jìn)行具體優(yōu)化，根據(jù)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)得知優(yōu)化后的支護(hù)方案能夠有效地控制頂板彎曲下沉，保障巷道圍巖的穩(wěn)定。