趙莊煤礦1312運(yùn)輸巷道復(fù)合頂板圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

祁雨鵬

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 趙莊煤業(yè)，山西 長(zhǎng)治 046600)

1 工程概況

山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司1312工作面井下位于一盤區(qū)，工作面開采3號(hào)煤層，煤層平均厚度4.75 m，平均傾角5°，頂?shù)装鍘r層特征見表1。1312運(yùn)輸巷道煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)斷面為矩形，凈斷面尺寸為寬×高=5.4 m×4.4 m。由于巷道頂板巖層呈層狀賦存，頂板屬于復(fù)合頂板，為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，特進(jìn)行復(fù)合頂板圍巖控制技術(shù)研究分析。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征

2 復(fù)合頂板變形失穩(wěn)機(jī)理

2.1 頂板失穩(wěn)機(jī)理分析

根據(jù)眾多工程實(shí)踐的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知[1-3]，復(fù)合頂板的失穩(wěn)主要表現(xiàn)重力驅(qū)動(dòng)型失穩(wěn)和離層撓曲型失穩(wěn)兩種形式。重力驅(qū)動(dòng)型失穩(wěn)為巷道掘進(jìn)期間，在無支護(hù)條件下，隨著控頂距的不斷增大，頂板在自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的作用下會(huì)不斷彎曲變形，隨后發(fā)生失穩(wěn)；離層撓曲型失穩(wěn)為巷道服務(wù)期間，由于頂板巖層呈現(xiàn)為層狀賦存，在采掘擾動(dòng)下存在的頂板離層、撓曲現(xiàn)象，且該種現(xiàn)象存在著較大的隱蔽性和突發(fā)性?，F(xiàn)根據(jù)1312運(yùn)輸巷道的特征，主要分析巷道在支護(hù)條件下的離層撓曲型失穩(wěn)機(jī)理。

針對(duì)復(fù)合頂板巖層，由于其自身具有分層薄、層間粘聚力差的特征，若巷道在采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索支護(hù)后，頂板巖層的穩(wěn)定性會(huì)顯著提高，但隨著巷道服務(wù)時(shí)間的延長(zhǎng)，頂板巖層在流變和采動(dòng)影響下，圍巖的變形不斷加劇。頂板中的泥巖受水和風(fēng)化的影響較大，致使巷道頂板巖層出現(xiàn)風(fēng)化破碎的現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道錨桿索的預(yù)應(yīng)力出現(xiàn)一定程度的損失，錨桿索支護(hù)對(duì)頂板巖層的主動(dòng)支護(hù)作用便會(huì)大幅減小。

復(fù)合頂板巖層在下沉過程中，巖層層間會(huì)產(chǎn)生一定的剪切作用力，當(dāng)巖層層間的剪切作用力大于支護(hù)系統(tǒng)中的剪切阻抗時(shí)，頂板巖層中便會(huì)出現(xiàn)明顯的離層錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象；隨著巷道服務(wù)時(shí)間不斷延長(zhǎng)，錨索的支護(hù)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，頂板巖層在自重和構(gòu)造應(yīng)力作用下不斷發(fā)生彎曲變形，當(dāng)巷道頂角的剪應(yīng)力超出巖體的剪切強(qiáng)度后，巖層會(huì)以一定的角度呈現(xiàn)漸次向上破壞的特征，已發(fā)生破壞的巖體在頂板錨桿的組合作用和錨索的懸吊作用下未發(fā)生垮落，但隨著頂板巖層破壞范圍的不斷增大，當(dāng)應(yīng)力大于錨桿索的極限強(qiáng)度時(shí)，錨桿索便會(huì)破斷，致使支護(hù)強(qiáng)度大幅降低。當(dāng)頂板的支護(hù)強(qiáng)度小于圍巖壓力時(shí)，頂板巖層2～3 m范圍內(nèi)的軟弱巖層便會(huì)出現(xiàn)切落式失穩(wěn)的特征，見圖1。

圖1 復(fù)合頂板巷道頂角破壞特征現(xiàn)場(chǎng)

2.2 變形失穩(wěn)主要影響因素

由于巷道地質(zhì)條件較為復(fù)雜，影響頂板失穩(wěn)的因素較多，結(jié)合眾多理論研究和工程實(shí)踐結(jié)果可知[4-6]，復(fù)合頂板變形失穩(wěn)的主要影響因素包括煤幫承載特征、軟弱夾層、頂板水及錨桿索工作狀態(tài)四個(gè)方面，具體分析如下：

1) 煤幫承載特征：煤幫作為復(fù)合頂板巖梁的載體，其破壞程度和范圍會(huì)直接影響頂板的支撐方式，根據(jù)相關(guān)研究可知[7]，當(dāng)頂板為復(fù)合頂板時(shí)，煤幫在強(qiáng)支護(hù)和弱支護(hù)方式下，圍巖塑性區(qū)的分布特征如圖2所示。從圖中能夠看出，當(dāng)松弱煤幫對(duì)頂板的支撐強(qiáng)度低時(shí)，復(fù)合頂板不僅會(huì)在巷道跨度內(nèi)發(fā)生破壞，還會(huì)在煤體內(nèi)部一定深度的頂板內(nèi)發(fā)生破壞，進(jìn)而使巷道頂板出現(xiàn)變形失穩(wěn)。

圖2 煤幫不同支護(hù)強(qiáng)度下圍巖塑性區(qū)分布

2) 軟弱夾層的影響：頂板巖層中的軟弱夾層是頂板結(jié)構(gòu)中的薄弱部分，其對(duì)頂板巖層的變形存在著較大的影響，頂板中軟弱夾層的存在易使頂板出現(xiàn)沿層破壞，導(dǎo)致頂板巖層中出現(xiàn)較大范圍的離層，使得頂板巖層抵抗變形的能力大幅降低，巷道頂板冒頂和垮落高度會(huì)不斷增大。針對(duì)軟弱夾層的頂板，應(yīng)盡量采用高延伸率的支護(hù)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)圍巖的變形特征。

3) 頂板水的影響：由于頂板巖層中存在的泥巖等巖層具有遇水易軟化的特征，軟化后巖體的承載能力會(huì)大幅降低，導(dǎo)致頂板所需的支護(hù)強(qiáng)度變大。在設(shè)計(jì)支護(hù)方案時(shí)應(yīng)盡可能地提高護(hù)表構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，提供充分的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散條件，增大護(hù)頂面積，保障表面圍巖的穩(wěn)定。

4) 錨桿索工作狀態(tài)影響：錨桿索的工作狀態(tài)會(huì)直接影響頂板的支護(hù)強(qiáng)度，錨桿索失效后，頂板巖層的支護(hù)強(qiáng)度會(huì)大幅降低，使巷道頂板出現(xiàn)變形失穩(wěn)。為充分保障復(fù)合頂板巖層的穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)支護(hù)方案時(shí)，應(yīng)盡量一次支護(hù)到位，最大限度地提高頂板的支護(hù)強(qiáng)度。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合1302運(yùn)輸巷道的地質(zhì)條件，確定巷道的支護(hù)應(yīng)堅(jiān)持長(zhǎng)短、強(qiáng)弱結(jié)合、支護(hù)疏密結(jié)合的原則。針對(duì)軟弱黏結(jié)層狀頂板，采用錨桿索協(xié)調(diào)支護(hù)，充分發(fā)揮高增阻、強(qiáng)初撐和高工作阻力的特征，提高巷道幫部支護(hù)強(qiáng)度，具體支護(hù)方案如下：

1) 頂板支護(hù)：頂板采用全錨索支護(hù)，錨索由1×19股高強(qiáng)度低松馳鋼絞線剪切而成,D22 mm，長(zhǎng)度6 300 mm，型號(hào)SKP22-1/1720-6 300 mm，間排距為1 200 mm×1 200 mm，全部與頂板垂直打注。每排5根錨索，靠幫側(cè)錨索距幫400 mm。托盤采用高強(qiáng)度碟形托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，設(shè)計(jì)錨固力不小于400 kN，預(yù)緊力不小于250 kN，外露長(zhǎng)度150～250 mm。鋼筋托梁：采用D14 mm的鋼筋焊接，寬80 mm，長(zhǎng)度4.9 m，型號(hào)T4900×80/14-80×100，在安裝錨桿位置處焊接兩段縱筋，縱筋間距100 mm，采用10號(hào)鐵絲編織的金屬菱形網(wǎng)護(hù)頂，型號(hào)LW10/70-1.35×5.8，網(wǎng)片規(guī)格為5.8 m×1.35 m，網(wǎng)孔規(guī)格為70 mm×70 mm。

2) 巷幫支護(hù)：錨桿采用型號(hào)為MSGLW-500/22-2400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度2.4 m，托盤采用拱型高強(qiáng)度托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，錨桿間排距950 mm×1 200 mm，錨固方式為加長(zhǎng)錨固，預(yù)緊力矩不小于400 N·m，頂?shù)捉清^桿與水平線角度為10°，其它均與巷幫垂直，幫部錨索采用1×7股高強(qiáng)度低松馳鋼絞線，型號(hào)為SKP17.8-1/1860-5 300 mm，托盤采用高強(qiáng)度碟形托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，垂直巷幫打注，設(shè)計(jì)錨固力不小于150 kN，預(yù)緊力不小于140 kN，同樣采用10號(hào)鐵絲編制的金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)幫，采用鋼筋托梁進(jìn)行錨桿索間的連接。

1312運(yùn)輸巷道巷道支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)方案斷面(mm)

3.2 效果分析

1312運(yùn)輸巷道掘進(jìn)期間，每間隔50 m布置1個(gè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，對(duì)每個(gè)測(cè)站持續(xù)進(jìn)行90 d的監(jiān)測(cè)作業(yè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出巷道表面位移曲線如圖4所示。

圖4 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形曲線

分析圖4可知，巷道掘進(jìn)期間，不同測(cè)站間的頂板下沉量及兩幫移近量曲線呈現(xiàn)為相同的變化趨勢(shì)，變形主要出現(xiàn)在0～40 d的范圍內(nèi)，巷道掘出50 d后圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂板下沉量和兩幫移近量的最大值分別為72 mm和163 mm，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 語

根據(jù)1312運(yùn)輸巷道復(fù)合頂板的特征，通過理論分析的方式進(jìn)行復(fù)合頂板變形失穩(wěn)機(jī)理的分析，得出影響頂板穩(wěn)定的主要影響因素，確定巷道高增阻、強(qiáng)初撐和高工作阻力，頂幫協(xié)調(diào)支護(hù)的支護(hù)原則，結(jié)合巷道特征進(jìn)行具體錨桿索支護(hù)方案的設(shè)計(jì)，根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，圍巖變形量小，滿足回采巷道的使用要求。