辛置礦2-559采面復(fù)合頂板巷道圍巖控制技術(shù)

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦2-559工作面位于450水平南五采區(qū)，工作面北為2-534工作面采空區(qū)，東部為2-560掘進(jìn)工作面，南部為310回風(fēng)巷、310皮帶巷及310軌道巷，西部為上跑蹄風(fēng)井與工業(yè)廣場(chǎng)保安煤柱。工作面開采2#煤層，煤層厚度為3.35～4.10m，平均厚度為3.75m，采用大采高回采工藝進(jìn)行采煤作業(yè)。煤層直接頂巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖互層，老頂巖層為K8中細(xì)砂巖，底板巖層為泥巖和中砂巖，具體頂?shù)装鍘r層特征見(jiàn)表1。

2-559工作面運(yùn)輸順槽沿2#煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面為矩形，掘進(jìn)寬度×高度=5.4 m×3.2m，巷道頂板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖互層，屬于復(fù)合頂板，頂板易出現(xiàn)變形離層現(xiàn)象，為保障頂板巖層的穩(wěn)定，特進(jìn)行巷道圍巖控制方案設(shè)計(jì)。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征

2 錨索支護(hù)參數(shù)模擬分析

巷道開挖后，頂板巖層在上覆巖層壓力與自身重力的影響下，巖層會(huì)主要受到拉應(yīng)力的作用，進(jìn)而使得巷道頂板巖層一定深度范圍內(nèi)在拉應(yīng)力作用下會(huì)出現(xiàn)受拉破壞，當(dāng)采用錨桿（索）支護(hù)技術(shù)進(jìn)行圍巖控制時(shí)，需確保錨桿能夠?qū)⑾路杰浫鯉r層有效錨固在一起，再通過(guò)錨索將組合在一起的軟弱巖層錨固在堅(jiān)硬巖層上，以形成組合拱，保障頂板巖層的穩(wěn)定[1-2]。

為充分保障支護(hù)方案中各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)的合理性，特采用FLAC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行錨桿各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)的模擬分析，根據(jù)巷道賦存具體情況，建立模型長(zhǎng)×寬×高=100 m×100 m×50m的力學(xué)模型，固定模型的底板及側(cè)邊[3]，在模型上方施加上覆巖層的自重7.5MPa，根據(jù)頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模型中各巖層參數(shù)的賦值。現(xiàn)進(jìn)行錨索長(zhǎng)度、預(yù)應(yīng)力的模擬分析。

2.1 錨索長(zhǎng)度分析

為保障錨索能夠在頂板巖層控制中起到主要的懸吊加固作用，設(shè)置錨索長(zhǎng)度為5m、6m、7 m和8m，分別進(jìn)行模擬分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出錨索支護(hù)后，圍巖垂直應(yīng)力的分布規(guī)律見(jiàn)圖1。

圖1 不同錨索長(zhǎng)度下圍巖應(yīng)力分布曲線

分析圖1可知，錨索支護(hù)區(qū)域圍巖應(yīng)力主要可劃分為兩部分，分別為錨索自由段和錨固段，在錨索的錨固區(qū)域，應(yīng)力主要表現(xiàn)為出現(xiàn)拉應(yīng)力核的狀態(tài)，且應(yīng)力值向頂板深部逐漸擴(kuò)散，在錨索支護(hù)的自由段，應(yīng)力與桿體為中心呈現(xiàn)出雙壓應(yīng)力核的分布狀態(tài)。當(dāng)錨索長(zhǎng)度為5 m和6m時(shí)，此時(shí)錨桿自由段的兩個(gè)應(yīng)力區(qū)域表現(xiàn)為靠近重疊的特征，應(yīng)力在錨索自由段表現(xiàn)為均勻分布，進(jìn)而能夠?qū)鷰r起到持續(xù)壓縮的作用。當(dāng)錨桿長(zhǎng)度增大為7 m和8m時(shí)，此時(shí)在錨桿自由段的中部逐漸形成了低應(yīng)力區(qū)域，此時(shí)錨索對(duì)自由段中部圍巖的控制效果逐漸降低，即表現(xiàn)隨著錨索長(zhǎng)度的增大，錨索對(duì)自由端中部的控制效果逐漸減弱。

基于2-559工作面運(yùn)輸順槽頂板巖層賦存情況，為保障錨索有效錨固在穩(wěn)定巖層內(nèi)，綜合數(shù)值模擬結(jié)果確定錨索長(zhǎng)度為6.2 m。

2.2 錨桿預(yù)應(yīng)力分析

基于上述模擬結(jié)果，現(xiàn)為確定錨索合理的預(yù)緊力，結(jié)合高預(yù)應(yīng)力支護(hù)原理[4-6]，設(shè)置錨索長(zhǎng)度為6m，設(shè)置預(yù)緊力分別為100 kN、200 kN、250 kN、300 kN，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出錨索在不同預(yù)緊力長(zhǎng)度下圍巖垂直應(yīng)力分布見(jiàn)圖2。

圖2 不同預(yù)緊力下圍巖垂直應(yīng)力分布曲線

分析圖2可知，隨著錨索預(yù)應(yīng)力數(shù)值的增大，圍巖應(yīng)力等值線形狀基本未出現(xiàn)變化，但隨著預(yù)緊力的增大，錨索預(yù)應(yīng)力在圍巖中應(yīng)力數(shù)值呈現(xiàn)出相應(yīng)增大的特征，在錨索預(yù)緊力從100 kN增大到300 kN時(shí)，錨索自由端的最小壓應(yīng)力由1×104Pa增大為3×104Pa，錨固段的最大拉應(yīng)力由4×103Pa增大為1.2×104Pa。據(jù)此可知錨索預(yù)緊力增大，預(yù)緊力在圍巖中的擴(kuò)散的應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)的增大，從而能夠加強(qiáng)對(duì)圍巖的加固作用。

綜合上述分析，為保障錨索對(duì)頂板巖層的控制效果，盡量增大錨索的預(yù)緊力，確定錨索采用高預(yù)緊力，長(zhǎng)錨固的形式，設(shè)置錨索的預(yù)緊力為250 kN。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)2-559工作面運(yùn)輸順槽復(fù)合頂板特征，結(jié)合上述錨索支護(hù)參數(shù)的分析結(jié)果，確定巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，具體支護(hù)方案如下：

（1）頂板支護(hù)：頂板錨桿采用高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ20 mm×2200 mm，錨桿錨固方式采用樹脂錨固劑進(jìn)行端頭錨固，間排距為700（1100）mm×800 mm，錨桿預(yù)緊力為300 N·m，梁頂角錨桿與頂板成15°安裝，其余錨桿均垂直頂板安裝；頂板錨索采用1×19股低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，規(guī)格為Φ17.8 mm×6200 mm，間排距為1500 mm×1500 mm，錨固采用樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固，設(shè)置預(yù)緊力為250 kN，錨索全部垂直于巷道頂板安設(shè)。

（2）兩幫支護(hù)：非回采幫錨桿采用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，規(guī)格Φ27 mm×2000 mm，每排布置3根錨桿，間排距為1100 mm×800 mm，回采幫采用玻璃鋼錨桿，錨固采用樹脂錨固劑進(jìn)行端頭錨固，設(shè)置錨桿預(yù)緊力為200 N·m，幫角兩錨桿與巷幫成15°布置，其余錨桿均垂直于巷幫安裝。

具體巷道支護(hù)方式見(jiàn)圖3。

圖3 巷道支護(hù)斷面

3.2 效果分析

（1）鉆孔窺視分析

巷道支護(hù)方案實(shí)施后，為分析巷道支護(hù)方案的實(shí)施效果，在巷道頂板進(jìn)行鉆孔窺視，窺視鉆孔深度為6m，鉆孔窺視結(jié)果見(jiàn)圖4。分析窺視結(jié)果可知，巷道頂板巖層裂隙及離層區(qū)域主要出現(xiàn)在頂板淺部巖層1.0m范圍內(nèi)，在巷道巖層1 m以上的區(qū)域未見(jiàn)巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，這表明巷道頂板巖層處于穩(wěn)定狀態(tài)，現(xiàn)有支護(hù)方案能夠保障復(fù)合頂板的穩(wěn)定。

圖4 鉆孔窺視

（2）巷道表面位移

在巷道掘進(jìn)期間，在巷道迎頭區(qū)域設(shè)置巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，隨著掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行，持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)作業(yè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠得出巷道圍巖變形量與觀測(cè)時(shí)間之間的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5。

圖5 巷道表面位移曲線

分析圖5可知，巷道掘進(jìn)出后，隨著觀測(cè)時(shí)間的增大，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤饾u增大，巷道圍巖的變形主要出現(xiàn)在巷道掘出后的0～30 d內(nèi)，當(dāng)巷道掘出30d后，此時(shí)巷道圍巖變形速率大幅下降，圍巖變形逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形穩(wěn)定后，頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔畲笾捣謩e為139 mm和122 mm，圍巖變形量較小，圍巖控制效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)2-559工作面運(yùn)輸順槽復(fù)合頂板巖層的特征，通過(guò)數(shù)值模擬具體分析合理的錨索長(zhǎng)度及錨索的預(yù)緊力，基于數(shù)值模擬結(jié)果確定錨索長(zhǎng)度為6.2m，預(yù)緊力為250 kN，結(jié)合巷道賦存特征，進(jìn)行錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)的具體設(shè)計(jì)，支護(hù)實(shí)施后通過(guò)鉆孔窺視和巷道表面位移分析，得出該支護(hù)圍巖控制效果良好。