三交河礦軟弱復(fù)合頂板巷道支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

宋清生

（霍州煤電汾河焦煤公司億隆煤業(yè)，山西 洪洞 041600）

《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃 （2014—2020年）》指出， 到2020年我國煤炭消費(fèi)總量在一次能源消費(fèi)中的占比要控制在62%以內(nèi)， 由此可見煤炭在我國能源消費(fèi)領(lǐng)域中的主導(dǎo)地位在很長一段時期內(nèi)不會改變[1]。 但長期大規(guī)模集約化開采致使我國多數(shù)礦區(qū)賦存條件較好的煤層基本被開采完畢。 為了緩解煤炭資源儲量和消費(fèi)需求量之間的矛盾，需對賦存條件較為復(fù)雜的煤層進(jìn)行開采，如軟弱復(fù)合頂板煤層[2]。軟弱復(fù)合頂板煤層在掘進(jìn)巷道時，頂板極易發(fā)生離層和垮落而引發(fā)冒頂事故。 孫健新研究表明高應(yīng)力、賦存條件差、水的影響和圍巖結(jié)構(gòu)不合理等是導(dǎo)致軟弱復(fù)合頂板支護(hù)困難的關(guān)鍵因素，提出了改善圍巖應(yīng)力環(huán)境和控制淋水的優(yōu)化支護(hù)方案[3]。常聚才基于對深井復(fù)合頂板回采巷道圍巖變形破壞特征的分析，提出了高強(qiáng)全長樹脂錨固預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)方案[4]。 宋惠佳基于對巷道頂板地質(zhì)條件的分析，對巷道掘進(jìn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計[5]。李愛軍基于深部厚層軟弱復(fù)合頂板巷道圍巖變形破壞分析，提出了梯次組合支護(hù)技術(shù)方案[6]。 本文以三交河礦軟弱復(fù)合頂板為研究背景，采用理論分析的方法探討軟弱復(fù)合頂板破壞機(jī)理并給出了針對性的支護(hù)優(yōu)化方案，以期為類似巷道支護(hù)提供一定的借鑒。

1 工程概況

三交河礦11#煤層平均厚度為2.9 m，11-1051巷和11-1052 巷均沿11#煤層頂板掘進(jìn)， 兩巷均為矩形斷面，斷面參數(shù)相同，均為4.5 m×3 m（寬×高），標(biāo)高均在+866～+942 m 范圍內(nèi)。 11-105 工作面位于+850 水平南翼， 工作面東側(cè)和南側(cè)均為實(shí)體煤，西側(cè)為10-001 工作面采空區(qū)，北側(cè)為下組煤運(yùn)輸大巷。 工作面上部為2#煤層采空區(qū)，工作面與2#煤層采空區(qū)層間 距94 ～118 m。 11-1051 和11-1052 巷道平面布置見圖1。

圖1 巷道平面布置

利用鉆孔測井分析儀對11#煤層頂?shù)装暹M(jìn)行探測，11#煤層頂?shù)装鍘r性見圖2。 由圖2 可知，11#煤層頂板由泥巖和砂巖層狀分布組成，且直接頂為軟弱的泥巖層，為典型的軟弱復(fù)合頂板。

圖2 煤巖層柱狀圖

2 軟弱復(fù)合頂板離層分析

軟弱復(fù)合頂板在巷道掘進(jìn)前后的應(yīng)力分布情況見圖3。 由于軟弱復(fù)合頂板由多層巖性不同的巖層組成，不同巖層間的粘結(jié)力較弱，頂板整體性和強(qiáng)度相對較低。 對比圖3（a）和3（b）可知，巷道的掘進(jìn)打破了軟弱復(fù)合頂板初始應(yīng)力平衡狀態(tài)，使頂板應(yīng)力由三向受力轉(zhuǎn)變?yōu)槎蚴芰Α?頂板圍巖因巷道掘進(jìn)而喪失應(yīng)力約束導(dǎo)致巷道上方頂板向下彎曲變形。 此時，由于復(fù)合頂板各巖層性質(zhì)不同，在應(yīng)力作用下向下彎曲和下沉的程度不同，引發(fā)不同巖層間發(fā)生離層現(xiàn)象。 由于三交河礦11#煤層直接頂為巖性較弱的泥巖，巷道掘進(jìn)后應(yīng)力狀態(tài)的改變促使其發(fā)生塑性變形，進(jìn)而引發(fā)上部砂巖巖層在與泥巖巖層界面處發(fā)生錯動、滑移和張開，最終導(dǎo)致軟弱復(fù)合頂板發(fā)生整體的離層失穩(wěn)破壞。

圖3 巷道掘進(jìn)前、后頂板巖層應(yīng)力分布

3 支護(hù)方案研究

對于三交河礦11#煤層軟弱復(fù)合頂板而言， 巷道的掘進(jìn)使復(fù)合頂板先后經(jīng)歷“初始應(yīng)力平衡—應(yīng)力平衡打破—新的應(yīng)力平衡”狀態(tài)，而在這一動態(tài)過程中，由于11#煤層直接頂巖性較差，在巷道掘進(jìn)后會率先發(fā)生快速的向下彎曲下沉， 且下沉量較大，而泥巖上部的砂巖巖性較硬，其變形速度較慢，且彎曲下沉量較小。 因此，只有充分考慮不同頂板巖層在巷道掘進(jìn)過程中變形速度和下沉量，才能實(shí)現(xiàn)對11-1051 巷和11-1052 巷軟弱復(fù)合頂板的有效支護(hù)。對11-1052 巷和11-1051 巷現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，兩巷現(xiàn)有支護(hù)方案僅對巷道頂板進(jìn)行全錨索支護(hù)，兩幫采用Φ20 mm×2 000 mm 的錨桿進(jìn)行支護(hù)， 這種支護(hù)方式下巷道變形較大且巷道掘進(jìn)速度慢，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度和生產(chǎn)效益。 根據(jù)相鄰10-0012 巷掘進(jìn)期間圍巖變形情況并結(jié)合軟弱復(fù)合頂板離層理論分析結(jié)果，本文提出采用高預(yù)緊力錨桿和錨索組合支護(hù)系統(tǒng)對11-1052 巷和11-1051 巷進(jìn)行支護(hù)。 巷道支護(hù)斷面見圖4。 詳細(xì)支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 支護(hù)參數(shù)

圖4 巷道支護(hù)斷面

4 支護(hù)效果分析

采用十字布點(diǎn)法安設(shè)表面位移測站對11-1051巷表面位移情況進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，以對11-1051 巷高預(yù)緊力錨桿和錨索組合支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)效果和參數(shù)進(jìn)行評價。 共布設(shè)2 個測站，布設(shè)位置分別為巷道支護(hù)掘出100 m 處和巷道掘進(jìn)200 m 處各一個測站。 測站布設(shè)方法為：在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蜚@Φ28 mm、深380 mm 的孔，將Φ30 mm、長400 mm 的木樁打入孔中。 頂板和上幫木樁端部安設(shè)彎形測釘， 底板和下幫木樁端部安設(shè)平頭測釘。11-1051 巷掘進(jìn)量約為5 m/d。監(jiān)測范圍為巷道掘進(jìn)起始點(diǎn)至測站距回采工作面100 m 范圍內(nèi)，觀測頻率為1 次/天。掘進(jìn)期間巷道圍巖相對變形量隨時間的變化情況見圖5。

圖5 巷道圍巖相對變形量隨時間的變化曲線

由圖5 可知，在采用預(yù)緊力錨桿和錨索組合支護(hù)系統(tǒng)對巷道進(jìn)行支護(hù)后，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平侩S時間均呈現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律，即在巷道掘進(jìn)初期階段（0～40 m），巷道頂?shù)装搴蛢蓭臀灰谱兓^大；而隨著巷道繼續(xù)向前掘進(jìn)（40 m 以后），其頂?shù)装搴蛢蓭臀灰谱兓俾示档?，然后趨于穩(wěn)定。 在巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定時，測站1 和2 所監(jiān)測到的巷道頂?shù)装逡平糠謩e為25.35 mm 和23.35 mm， 巷道兩幫移近量分別為32.16 mm 和32.22 mm。在巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定后，測站1 和2 所監(jiān)測到的巷道頂?shù)装逡平孔畲笾捣謩e28.34 mm 和25.24 mm， 巷道兩幫移近量最大值分別為37.12 mm 和37.04 mm。 由此可知，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e被控制在30 mm和40 mm 以內(nèi)，且巷道頂?shù)装逡平啃∮趦蓭鸵平俊?綜上所述，在采用預(yù)緊力錨桿和錨索組合支護(hù)系統(tǒng)對巷道進(jìn)行支護(hù)后，采用預(yù)緊力錨桿和錨索組合支護(hù)系統(tǒng)對軟弱復(fù)合頂板巷道支護(hù)效果顯著，有效控制了巷道圍巖變形。

5 結(jié)語

1）基于對三交河礦11#煤層頂板巖層賦存特征， 分析11-1051 巷和11-1052 巷掘進(jìn)前后頂板巖層受力變形特征。

2）針對軟弱復(fù)合頂板易發(fā)生離層冒頂事故，提出了預(yù)緊力錨桿和錨索組合支護(hù)系統(tǒng)，現(xiàn)場實(shí)測表明該支護(hù)系統(tǒng)將巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平糠謩e被控制在30 mm 和40 mm 以內(nèi)， 有效控制了巷道圍巖變形。