復(fù)合頂板動壓巷道變形破壞機(jī)理與錨桿支護(hù)技術(shù)

閆俊紅

(霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 河津 043302)

0 引言

隨著煤炭資源長期以來的高強(qiáng)度開采，煤層賦存條件簡單、埋深淺且易于開采的煤炭資源逐漸減少。在遇到煤層賦存條件差的大傾角煤層，安全開采成為煤礦關(guān)注的重點。針對煤層傾角大于35°的煤層而言，巷道開挖后，頂板巖層在自重應(yīng)力及上覆巖層載荷共同作用下，不僅受垂直向下的分力影響，還受沿煤層傾角的分力作用，巷道頂板受力復(fù)雜，破壞形式具有一定的獨特性[1-4]。此外，煤層傾角對一些復(fù)合型頂板巷道影響更為劇烈，由于煤層傾角的存在，導(dǎo)致復(fù)合頂板出現(xiàn)巖層間的滑移、錯動[5-7]，巷道頂板極易出現(xiàn)離層冒頂現(xiàn)象，造成漏垮型冒頂事故，嚴(yán)重影響煤炭安全生產(chǎn)。

針對上述現(xiàn)象，以薛虎溝煤礦2-105運輸順槽為研究對象，分析了大傾角復(fù)合頂板的變形破壞特征，探究大傾角復(fù)合頂板的破壞機(jī)理，同時根據(jù)理論計算的方法，確定合理的巷道支護(hù)參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗。

1 礦井概況

薛虎溝煤礦隸屬于霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，該礦井田面積4.06 km2，礦井年設(shè)計生產(chǎn)能力為90萬t/a。本礦井地質(zhì)構(gòu)造簡單，在井田范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層、陷落柱等復(fù)雜構(gòu)造，礦井開拓方式為平硐加斜井式，井下工作面布置方式為條帶式。礦井主采煤層共2層，分別為2號和10號煤層。礦井的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，全區(qū)以斷裂構(gòu)造為主，部分區(qū)域陷落柱較發(fā)育。2-105綜采工作面水平標(biāo)高-580 m，位于礦井二盤區(qū)，2-105綜采工作面南鄰采區(qū)下山煤柱，北鄰工業(yè)廣場保護(hù)煤柱，東接2-108工作面。2-105綜采工作面所采煤層為8號煤層，煤層平均厚度約為1.58 m，煤層傾角15°～43°，平均傾角為35°。

2 大傾角復(fù)合頂板巷道特征及機(jī)理分析

2.1 大傾角復(fù)合頂板巷道破壞特征

薛虎溝煤礦2-105運輸順槽斷面為直角梯形，巷道開挖后，復(fù)合頂板在上覆巖層載荷作用下發(fā)生離層彎曲冒落，進(jìn)而使巷道兩幫及底板向巷道空間內(nèi)擠壓凸出變形。2-105運輸順槽圍巖變形示意圖如圖1所示，巷道變形破壞呈現(xiàn)非對稱性特征、頂板變形量大于巷幫及底板、巷道底鼓具有區(qū)域性變化規(guī)律3個特點。

巷道變形呈現(xiàn)非對稱性特征：由于開挖巷道存在一定的傾角，且頂板具有復(fù)合特性，使復(fù)合頂板在受沿煤層傾角的分力作用下發(fā)生離層現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道頂板整體穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)頂板冒落特征[8-10]。其中靠近巷道上肩角位置處冒落區(qū)域較大。此外，巷道兩幫及底板受頂板擾動影響發(fā)生形變，兩幫形變量最大處位于中下部，靠近下幫處底板底鼓量明顯。

頂板變形量大于巷幫及底板：根據(jù)對2-105運輸順槽成巷圍巖位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，遠(yuǎn)離回采工作面150 m之外，巷道頂板冒頂區(qū)域最大冒頂高度為2 150 mm，而巷道兩幫及底板最大形變量分別為960 mm、1 640 mm。

巷道底鼓具有區(qū)域性變化規(guī)律：受工作面采動影響，巷道底鼓劇烈，在超前工作面150 m處巷道底鼓量急劇增加，最大底鼓量可達(dá)到近2 420 mm，嚴(yán)重影響巷道正常使用。

2.2 大傾角復(fù)合頂板巷道破壞機(jī)理分析

頂板離層形成冒落“三角拱”原因：大傾角復(fù)合頂板巷道與巖層間的特殊位置關(guān)系導(dǎo)致頂板巖層與水平方向存在很大的夾角，故而導(dǎo)致巷道頂板不僅受垂直向下的分力影響，還受沿煤層傾角的分力作用，巷道頂板受力復(fù)雜[11-13]。此外，復(fù)合頂板巖層厚度較小，巖層間存在弱結(jié)構(gòu)面，不僅導(dǎo)致復(fù)合頂板巖層間粘結(jié)力較弱，而且裂隙較為發(fā)育。當(dāng)巷道開挖后，頂板大面積裸露，復(fù)合頂板巖層受到繞動，巖層間裂隙再度發(fā)育，出現(xiàn)離層現(xiàn)象，巷道復(fù)合頂板離層示意圖如圖2所示，易形成冒落“三角拱”。

圖2 巷道復(fù)合頂板離層示意圖

兩幫應(yīng)力集中及底鼓原因：隨著頂板進(jìn)一步破壞，巷道圍巖應(yīng)力逐漸向巷道兩幫轉(zhuǎn)移，由于巷道傾角的存在，導(dǎo)致兩幫應(yīng)力集中呈現(xiàn)非對稱性特征。故而巷道兩幫圍巖變形破壞呈現(xiàn)非對稱性特征，其中靠近肩角處兩幫變形最為嚴(yán)重。巷道頂板及兩幫的變形破壞，致使巷道斷面圍巖整體性降低，底板隨之發(fā)生底鼓現(xiàn)象。

3 大傾角復(fù)合頂板巷道控制技術(shù)

3.1 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)薛虎溝煤礦2-105運輸順槽工況，采用錨桿、錨索進(jìn)行巷道支護(hù)，支護(hù)參數(shù)(桿體直徑、間排距及長度)對于巷道穩(wěn)定性具有很大影響，故采用理論計算方法進(jìn)行參數(shù)計算。

錨桿長度計算：①巷道頂板錨桿長度為La，其理論長度如式(1)所示

La=L1+L2+L3

(1)

式中：L1—錨桿外露端長度，取0.1 m；L2—錨桿有效作用長度，其值取1.8 m；L3—錨入穩(wěn)定巖層的錨桿長度，取0.4 m。頂板錨桿理論計算結(jié)果2.3 m，考慮到錨桿選型方便，最終確定La=2.4 m。

②巷道幫部錨桿長度為Lb，其理論長度如式(2)所示

Lb=L1′+L2′+L3′

(2)

式中：L1′—巷幫兩側(cè)承載區(qū)寬度，取1.8 m；L2′—錨桿外露端長度，取0.1 m；L3′—錨入穩(wěn)定巖層的錨桿長度，取0.5 m。經(jīng)過計算確定，頂板錨桿與幫部錨桿長度相同，即La=Lb=2.4 m。

錨桿間排距計算：①錨桿間距為D1，其理論長度如式(3)所示

(3)

式中：K—錨固方式系數(shù)，取1.1；I—錨固區(qū)圍巖完整性系數(shù)，根據(jù)圍巖破壞程度取0.8；f—圍巖普氏系數(shù)，取2。錨桿間距理論計算結(jié)果約為0.84 m，考慮到現(xiàn)場施工，最終確定D1=0.8 m。

②錨桿排距為D2，其理論長度如式(4)所示

(4)

經(jīng)過計算確定，錨桿排距約為D2=0.9 m。

錨桿直徑計算：錨桿直徑為D，其理論直徑如式(5)所示

(5)

式中：Q—錨桿錨固力，取80 kN；σt—錨桿抗拉強(qiáng)度，經(jīng)驗取值250 MPa。經(jīng)過計算確定，錨桿直徑約為D=20 mm。

錨索長度計算：錨索長度為Lc，其理論直徑如式(6)所示

Lc=La′+Lb′+Lc′+Ld′

(6)

式中：La′—錨索深入穩(wěn)定層的錨固長度，取1.9 m；Lb′—懸吊不穩(wěn)定巖層厚度，取3 m；Lc′—上托盤及錨具厚度，取0.2 m；Ld′—需要外露的張拉長度，取0.35 m。錨索長度理論計算結(jié)果約為5.45 m，考慮到現(xiàn)場巷道復(fù)合頂板易離層冒落，最終確定Lc=6.3 m。此外根據(jù)2-105運輸順槽地質(zhì)工況，確定錨索間排距為1 500 mm×900 mm。

3.2 支護(hù)材料選型與設(shè)計

根據(jù)確定的巷道支護(hù)參數(shù)，進(jìn)行支護(hù)材料選型及支護(hù)設(shè)計。

錨桿：錨桿選取型號為GM20/2400-490的高強(qiáng)錨桿。頂板錨桿間排距為900 mm×900 mm，兩幫錨桿間排距為800 mm×900 mm。托盤型號為TPM150×150/10，巖層及煤層的錨桿錨固力分別為80 kN和60 kN。

錨索：錨索選取型號為YMS17.8/6.3-1860的高強(qiáng)錨索。間排距為1 500 mm×900 mm。托盤型號為TPM200×200/10，預(yù)緊力80～100 kN，錨固力不小于200 kN。

金屬網(wǎng)：頂板選取2 500 mm×1 000 mm(長×寬)鋼筋網(wǎng)，幫部選取1 900 mm×1 000 mm(長×寬)鋼筋網(wǎng)。

支護(hù)設(shè)計：由巷道變形破壞特征可知，大傾角復(fù)合頂板巷道上隅角、下幫及上幫靠近頂板部位易破壞，故應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，2-105運輸順槽巷道支護(hù)設(shè)計圖如圖3所示。

圖3 2-105運輸順槽巷道支護(hù)設(shè)計圖

3.3 應(yīng)用試驗

圍巖位移監(jiān)測：薛虎溝煤礦對2-105運輸順槽300 m的試驗段進(jìn)行支護(hù)，同時對巷道頂?shù)装寮皟蓭瓦M(jìn)行了為期200 d的位移監(jiān)測，運輸順槽試驗段圍巖位移監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 2-105運輸順槽試驗段圍巖位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

試驗分析：由圖4可知，在觀測期內(nèi)2-105運輸順槽底板變形量最大，上幫次之，頂板最小。在前50 d之內(nèi)，巷道頂板、上幫圍巖變形較為劇烈，說明巷道圍巖應(yīng)力主要作用于該部位；100～175 d之內(nèi)，巷道底板和下幫圍巖變形速度急劇增加，說明巷道圍巖應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，印證了大傾角巷道圍巖受力不均勻特性，圍巖呈現(xiàn)非對稱性破壞特征。

4 結(jié)論

(1)大傾角復(fù)合頂板的變形破壞主要是未采取科學(xué)合理的巷道支護(hù)方式，使巷道頂板初期離層量與頂板下沉量大，巷道失穩(wěn)；隨著頂板巖層的節(jié)理裂隙發(fā)育，巷道頂板會離層、下沉，并縱深擴(kuò)展，導(dǎo)致巷道頂板的變形。

(2)復(fù)合頂板巷道圍巖變形呈現(xiàn)非對稱性特征，復(fù)合頂板在受沿煤層傾角的分力作用下易發(fā)生離層現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道頂板整體穩(wěn)定性下降，進(jìn)而引起巷道兩幫及底板向巷道空間內(nèi)擠壓變形。針對大傾角復(fù)合頂板巷道圍巖變形特征，依據(jù)理論計算方法進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計并進(jìn)行了材料選型，同時進(jìn)行了工業(yè)性試驗，試驗結(jié)果顯示巷道圍巖得到有效控制。

(3)對礦井地質(zhì)條件復(fù)雜的巷道頂板支護(hù)，應(yīng)充分借助錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)效果提高主動支護(hù)效應(yīng)，采用專業(yè)的風(fēng)動扭矩放大器來提高錨桿的支護(hù)預(yù)緊力；同時增加錨索的密度，提高錨索的張拉力。

(4)薛虎溝煤礦在2-105運輸順槽的巷道支護(hù)過程中通過采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方案，使巷道頂板失穩(wěn)的問題得到有效解決，大幅增強(qiáng)了巷道的穩(wěn)定性，有效可降低巷道的維修成本，體現(xiàn)出顯著的社會與經(jīng)濟(jì)效益。