裕泰煤業(yè)15104工作面復(fù)合頂板巷道圍巖控制技術(shù)研究

高志偉

(陽(yáng)煤集團(tuán) 裕泰煤業(yè)有限公司，山西 平定 045200)

1 工程概況

陽(yáng)煤集團(tuán)裕泰煤業(yè)15104工作面位于井下一采區(qū)，所處水平為+510 m水平，工作面西部為礦井邊界保護(hù)煤柱和蘇家?guī)X村莊保護(hù)煤柱，東鄰二水平軌道巷，北鄰15102工作面(已采)，南鄰15106工作面(未掘)。工作面走向長(zhǎng)度為141 m，傾斜長(zhǎng)度為641 m，開(kāi)采煤層為15號(hào)煤，煤層平均厚度為5.31 m，含有2層泥質(zhì)夾矸，厚度為0.5 m，平均傾角4°，工作面區(qū)域直接頂為砂質(zhì)泥巖與黑色頁(yè)巖互層，均厚為7.5 m，基本頂為K2石灰?guī)r，均厚為4.4 m，含有兩層泥質(zhì)夾層；底板為砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖。

15104工作面回風(fēng)巷沿煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度×高度=4.3 m×2.7 m，由于巷道頂板為復(fù)合頂板，穩(wěn)定性較差，為控制頂板巖層的變形，保障圍巖的穩(wěn)定，進(jìn)行圍巖支護(hù)方案的設(shè)計(jì)與研究。

2 復(fù)合頂板圍巖控制機(jī)理

影響復(fù)合頂板巷道穩(wěn)定的因素眾多，主要包括巷道斷面的尺寸、頂板巖層的賦存特征、巖層間滑移面的強(qiáng)度等。由于復(fù)合頂板巖層間的接觸多，頂板巖層在巷道掘進(jìn)和工作面回采擾動(dòng)下易出現(xiàn)離層現(xiàn)象。在頂板巖層滑移面區(qū)域，易出現(xiàn)剪切運(yùn)動(dòng)，滑移面剪切運(yùn)動(dòng)后，頂板的穩(wěn)定性會(huì)大幅降低，頂板下沉量會(huì)大幅增大?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，針對(duì)復(fù)合頂板巷道，圍巖控制技術(shù)應(yīng)注重以下幾個(gè)方面：①加固滑移面的抗剪強(qiáng)度，防止頂板巖層間剪切滑移現(xiàn)象的出現(xiàn)；②通過(guò)采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，有效增強(qiáng)復(fù)合頂板巖層間的結(jié)合力，防止巖層間出現(xiàn)離層現(xiàn)象。

1) 錨桿對(duì)滑移面的加固作用。錨桿索支護(hù)技術(shù)中，錨桿的預(yù)緊力可增強(qiáng)巖層滑移面摩擦阻力，且錨桿能夠?qū)⒒泼鎯蓚?cè)的巖層組合在一起，控制巖層間的相互錯(cuò)動(dòng)，具體滑移面采用錨桿支護(hù)后的力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 滑移面錨桿支護(hù)后受力示意

根據(jù)相關(guān)研究可知[1]，滑移面采用錨桿支護(hù)后的抗剪強(qiáng)度τbj表達(dá)式為：

τbj=τi+τbd+τbi+τbs

(1)

式中：τi為滑移面的抗剪強(qiáng)度；τbi為錨桿軸力沿滑移面法向抗剪強(qiáng)度；τbd為錨桿組合作用換算的抗剪強(qiáng)度；τbs為錨桿軸力沿滑移面切向抗剪強(qiáng)度。

根據(jù)復(fù)合頂板的特征，考慮到錨桿擴(kuò)散角度的問(wèn)題，一般錨桿選擇與巖層成90°安裝，但這并不是最合理的安裝角度，采用理論分析，通過(guò)對(duì)錨桿安裝角度取極值，能夠得出錨桿的最佳安裝角度θopl的表達(dá)式為：

(2)

式中：τb為錨桿橫截面上的平均剪應(yīng)力；φj為滑移面的內(nèi)摩擦角；φ0為錨桿單軸壓縮時(shí)煤巖體的內(nèi)摩擦角；σb為錨桿的軸力；R為錨桿的長(zhǎng)度。

由此可知，錨桿的最佳安裝角度與錨桿軸向、剪應(yīng)力分布及滑移面的摩擦角有關(guān)，根據(jù)式(2)，采用Matlab軟件繪制得出直徑 20 mm的20 MnSi左旋螺紋鋼錨桿最佳安裝角度θopl與錨桿單軸壓縮時(shí)煤巖體的內(nèi)摩擦角φ0之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 錨桿最佳安裝角與煤巖體內(nèi)摩擦角的關(guān)系

由圖2可知，在煤巖體硬度增大時(shí)，隨著煤巖體內(nèi)摩擦角的增大。錨桿支護(hù)中的安裝最佳角度也逐漸增大。當(dāng)煤巖體內(nèi)摩擦角為20°時(shí)，錨桿的最佳安裝角度為38°；當(dāng)煤巖體內(nèi)摩擦角增大為25°時(shí)，錨桿的最佳安裝角度為43°。根據(jù)15104工作面頂?shù)装鍘r層的條件，得出直接頂砂質(zhì)泥巖與黑色頁(yè)巖互層巖體的內(nèi)摩擦角平均約為15°，據(jù)此確定頂角和幫角錨桿的安裝角度為35°。

2) 高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)。錨桿支護(hù)體系中，預(yù)應(yīng)力作為支護(hù)中的關(guān)鍵參數(shù)，決定著錨桿的支護(hù)效果，在進(jìn)行錨桿與預(yù)緊力的設(shè)置時(shí)，應(yīng)確保施加的預(yù)緊力能夠有效控制巖層間離層和滑動(dòng)現(xiàn)象的出現(xiàn)[2-4]。根據(jù)15104工作面的地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)錨桿預(yù)緊力為20 kN和100 kN時(shí)圍巖附加應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了分析。模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，隨著預(yù)應(yīng)力的增大，錨桿對(duì)淺部圍巖的控制效果逐漸增強(qiáng)，控制范圍逐漸增大。另外從圖中還能夠看出，單根錨桿預(yù)應(yīng)力在圍巖中的擴(kuò)散范圍有限，無(wú)法達(dá)到將頂板巖層組合到一起的目的。因此在進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)，必須設(shè)置合理的錨桿間排距，通過(guò)錨桿預(yù)應(yīng)力在圍巖中的擴(kuò)散疊加，達(dá)到將各個(gè)巖層組合在一起、控制圍巖穩(wěn)定的目的。同時(shí)，若要使得錨桿施加的預(yù)緊力能夠有效地在圍巖中擴(kuò)散，還需使用與錨桿相配套的支護(hù)構(gòu)件，如托盤(pán)、鋼筋/金屬網(wǎng)、鋼帶、鋼筋梯子梁等，以此保障錨桿預(yù)緊力在圍巖體內(nèi)的有效擴(kuò)散。

基于此可知，在15104工作面回風(fēng)巷進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)，應(yīng)盡可能地提高錨桿的預(yù)緊力，據(jù)此確定在錨桿采用直徑為20 mm，材質(zhì)為20 MnSi左旋螺紋鋼時(shí)，設(shè)置頂板錨桿預(yù)緊力為70 kN，70 kN的預(yù)緊力對(duì)應(yīng)預(yù)緊扭矩為400 N·m。

圖3 附加應(yīng)力場(chǎng)分布

3 支護(hù)方案及效果

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)15104工作面回風(fēng)巷的具體地質(zhì)條件，結(jié)合復(fù)合頂板圍巖控制機(jī)理，確定回風(fēng)巷采用高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)技術(shù)，具體支護(hù)參數(shù)如下：

1) 頂板支護(hù)。錨桿采用規(guī)格為D20 mm×2 400 mm的高強(qiáng)左旋螺紋鋼，間排距為800 mm×800 mm，錨固采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊扭矩為400 N·m，頂角錨桿與巷道頂板成35°，其余錨桿均垂直頂板安設(shè)；錨索采用規(guī)格為D17.8 mm×7 000 mm的1×7股鋼絞線，間排距1 600 mm×2 400 mm，錨固方式采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，錨固長(zhǎng)度1 460 mm，錨索全部垂直于頂板打設(shè)，另外采用鋼筋梯子梁(D12 mm鋼筋焊制)將錨桿索有效連接，采用10號(hào)鐵絲編織的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表。

2) 兩幫支護(hù)。錨桿采用與頂板相同的錨桿，間排距為800 mm×800 mm，錨固方式同樣為樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，除角錨桿與巷幫成35°布置外，其余錨桿均垂直于巷幫安設(shè)，錨桿預(yù)緊扭矩為250 N·m，通過(guò)鋼筋梯子梁(D12 mm鋼筋焊制)將同一斷面錨桿連接為一個(gè)整體，另外為保障巷幫表面圍巖體的穩(wěn)定，采用10號(hào)鐵絲編織的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表。

具體回風(fēng)巷高預(yù)應(yīng)力支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 巷道支護(hù)示意(mm)

3.2 支護(hù)效果

在15104工作面回采期間，在回風(fēng)巷超前工作面150 m的位置處布置巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，并進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，得出巷道表面位移與回采工作面距離間的關(guān)系曲線，如圖5。

圖5 回采期間巷道圍巖表面位移曲線

由圖5可知，工作面回采期間，在測(cè)站與工作面的距離大于100 m時(shí)，巷道圍巖基本保持穩(wěn)定，變形量較?。划?dāng)測(cè)站與工作面之間的距離小于100 m時(shí)，巷道圍巖開(kāi)始逐漸變形，且隨著回采的推進(jìn)，圍巖變形速率逐漸增大，當(dāng)工作面回采至距離測(cè)站10 m時(shí)，頂?shù)装搴蛢蓭鸵平糠謩e為98 mm和153 mm。基于上述數(shù)據(jù)可知，回風(fēng)巷在現(xiàn)有支護(hù)方案下，圍巖變形量較小，保障了巷道圍巖的穩(wěn)定，回采巷道的變形滿足在整個(gè)服務(wù)期間的使用要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)15104工作面回風(fēng)巷復(fù)合頂板特征，通過(guò)分析錨桿對(duì)滑移面的加固作用及高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)作用，確定出回風(fēng)巷的錨桿安裝角度為35°，頂板錨桿預(yù)緊扭矩為400 N·m，并進(jìn)行了高預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案的設(shè)計(jì)，根據(jù)工作面回采期間的表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果得出，回風(fēng)巷在該種支護(hù)方案下變形量較小，滿足回采巷道的使用要求。