高應(yīng)力軟巖復(fù)合頂板回采巷道全錨索支護(hù)技術(shù)研究

高鳳偉

(山西晉煤集團(tuán) 趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046605)

隨著我國煤礦開采強(qiáng)度和開采深度的增加，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，地應(yīng)力水平越來越高，致使采掘接續(xù)緊張，巷道圍巖控制難道加大，尤其是承受高地應(yīng)力、一次或多次采動應(yīng)力影響且頂板為軟巖復(fù)合頂板、大巷高大跨度的大斷面回采巷道，給錨桿支護(hù)技術(shù)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1，2]。對于軟弱復(fù)合頂板的回采巷道，常規(guī)錨桿索支護(hù)技術(shù)很難較好地控制巷道圍巖的變形，需改變支護(hù)形式或掘進(jìn)工藝方可達(dá)到有效控制圍巖的目的，使得其滿足工作面的安全高效回采，例如：注漿錨桿索支護(hù)技術(shù)[3-6]、錨桿索支護(hù)技術(shù)聯(lián)合超前或滯后注漿技術(shù)[7-10]、錨桿索聯(lián)合型鋼封閉支護(hù)技術(shù)[11-13]或采用圓形盾構(gòu)施工工藝[14-16]等，但這些施工工藝或支護(hù)技術(shù)不僅需增加或更換施工裝備，投入成本大，而且掘支效率低，又帶來采掘接續(xù)緊張問題。以往采掘生產(chǎn)實(shí)踐表明，趙莊煤礦3號煤層具有埋深大、地應(yīng)力高、煤層厚、頂板軟巖互層的特點(diǎn)，回采巷道具有跨度大、巷幫高的大斷面特征，經(jīng)歷一次或兩次工作面回采的采動影響下，常規(guī)的錨桿索支護(hù)巷道變形量大，巷道片幫和錨桿索斷裂時(shí)有發(fā)生，存在潛在冒頂?shù)奈ｋU(xiǎn)，往往需施工大量的補(bǔ)強(qiáng)錨索和注漿加固及多次擴(kuò)巷返修才能保證其滿足正?；夭尚枨?。因此，有必要針對趙莊煤礦高地應(yīng)力、軟巖互層頂板、大斷面回采巷道設(shè)計(jì)研發(fā)一種安全高效的回采巷道支護(hù)技術(shù)。

1 礦井概況

趙莊煤礦井田位于沁水煤田東南部，地處山西省晉城市北53km。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為8Mt/a，初期開采二疊系下統(tǒng)山西組3號煤層，從全區(qū)看3號煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度0～6.35m，平均厚度4.69m，煤層傾角1°～8°，平均5°，夾矸一般為一層，位于煤層下部。3號煤層最大埋深達(dá)850m，已處于深部開采條件，3號煤層直接底主要為泥巖或砂質(zhì)泥巖，煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖及各類砂巖互層的復(fù)合頂板，各盤區(qū)煤層頂板巖層性質(zhì)變化較大，給巷道圍巖穩(wěn)定性控制帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)。3號煤層現(xiàn)劃分為五個(gè)盤區(qū)，各工作面均采用走向長壁一次采全高后退式自然垮落綜合機(jī)械化采煤法。

2 煤層地質(zhì)力學(xué)環(huán)境評估及原巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 煤巖體強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)特征

趙莊煤礦3號煤層頂板巖性變化較大，直接頂大都為泥巖和砂巖互層結(jié)構(gòu)，單層厚度0.6～3.65m，累計(jì)厚度0.6～10.5m，巖石較破碎，單軸抗壓強(qiáng)度較小，主要集中在26.4～35.2MPa，為典型的軟巖互層結(jié)構(gòu)；基本頂為灰黑色粉砂巖和細(xì)粒砂巖，厚度3.8～13.2m，單軸抗壓強(qiáng)度為73.2MPa；直接底主要為泥巖或砂質(zhì)泥巖，局部夾有薄煤層，厚度1.5～3.5m，巖層遇水易膨脹，強(qiáng)度低，單軸抗壓強(qiáng)度為15～28MPa；老底基本為泥巖，厚度一般超過3.6m，單軸抗壓強(qiáng)度為50MPa左右。

趙莊煤礦3號煤層強(qiáng)度也有很強(qiáng)的區(qū)域性，煤體強(qiáng)度高的在15MPa左右，強(qiáng)度較低的區(qū)域煤體強(qiáng)度在10MPa以下，相比晉城礦區(qū)其他礦井而言3號煤的強(qiáng)度偏小，節(jié)理、裂隙非常發(fā)育，煤塊強(qiáng)度明顯高于煤體強(qiáng)度，受掘進(jìn)影響煤幫淺部煤體破碎、強(qiáng)度較低，隨距巷幫深度的增加煤體強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。

礦物成分測試結(jié)果表明，趙莊煤礦3號煤圍巖都含有遇水膨脹的蒙脫石-伊利石混層礦物；由于粘土礦物如伊利石、高嶺石含量越高，其圍巖抵抗風(fēng)、水及其他化學(xué)環(huán)境侵蝕的能力越差，具有遇水風(fēng)化的層間斷裂破壞特性，對巷道圍巖的整體長期穩(wěn)定不利，巷道圍巖易風(fēng)化、遇水膨脹。

2.2 煤層地應(yīng)力特征

地應(yīng)力測試結(jié)果表明，趙莊煤礦3號煤層最大地應(yīng)力主要表現(xiàn)為水平地應(yīng)力，方位角為N25°～35°W，最大水平地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)為1.33，平均1.07～1.26；最小水平地應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)平均0.58～0.66，即趙莊煤礦3號煤層具有顯著的構(gòu)造應(yīng)力特征；豎向地應(yīng)力以自重應(yīng)力場為主。若煤層埋深800m，上覆巖層平均容重2500kg/m3，則其最大水平地應(yīng)力、最小水平地應(yīng)力和豎向地應(yīng)力分別為25.2MPa、13.2MPa和20MPa；由此可見，高地應(yīng)力勢必在一定程度上影響著巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2.3 回采巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)

趙莊煤礦3號煤層回采巷道斷面設(shè)計(jì)為矩形，掘進(jìn)寬度為5.6m，高為4.5m，當(dāng)煤層厚度小于5.5m時(shí)沿煤層頂?shù)装寰蜻M(jìn)，即巷高最大為5.5m；由此可知，趙莊煤礦3號煤層回采巷道為典型的大斷面巷道。趙莊煤礦3號煤層回采巷道原設(shè)計(jì)采用錨桿錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，頂板每排布置5根型號為MSGLW-500/22-2400的錨桿，間排距為1.2m×1.2m，且以“2-0-2”形式每排布置兩根型號為SKP22-1/1720-6300的錨索，錨索間排距為1.8m×2.4m。巷幫以“5-3-5-4-5”布置型號為MSGLW-500/22-2400的錨桿，錨桿間排距為0.95m×1.2m，最上一根錨桿距頂板0.3m，最下一個(gè)錨桿距底0.4m；型號為SKP17.8-1/1860-5300的錨索采用“2-1-2”布置與錨桿同排，每排兩根錨索時(shí)替代幫部2#、4#錨桿，間距1.9m，每排一根錨索時(shí)替代幫部3#錨桿，排距2.4m。趙莊煤礦3號煤層回采巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 3號煤層回采巷道原錨桿索聯(lián)合支護(hù)(mm)

2.4 回采巷道礦壓顯現(xiàn)特征

由于趙莊煤礦3號煤層松軟破碎，頂板軟巖互層結(jié)構(gòu)且較破碎，加之煤層埋深大和地應(yīng)力高的特點(diǎn)，使得上述錨桿索聯(lián)合支護(hù)的回采巷道在采動應(yīng)力影響下巷道動壓顯現(xiàn)劇烈，巷道頂?shù)装遄畲笠平砍^2m，兩幫移近量最大可達(dá)2m，局部片幫、錨桿索尾部脫空、錨桿索斷裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，至少需要擴(kuò)巷一次甚至多次，并且超前或滯后補(bǔ)打大量錨索才有可能滿足工作面的正常生產(chǎn)，給采掘接續(xù)和安全高效生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。

為此，本文在分析3號煤層地質(zhì)力學(xué)特征及現(xiàn)有支護(hù)所存在問題基礎(chǔ)上，提出了全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)技術(shù)，采用數(shù)值模擬方法獲得錨索的支護(hù)參數(shù)，并通過現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化與驗(yàn)證。

3 全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 錨索支護(hù)參數(shù)的確定

依據(jù)趙莊煤礦3號煤層及其頂?shù)装鍘r層賦存特征，采用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法，建立了回采巷道全斷面錨索支護(hù)數(shù)值模擬模型，分析主要錨索支護(hù)參數(shù)對其支護(hù)效果的影響，為全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)方案的設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)?；夭上锏栏叨葹槊簩雍穸?.6m，巷道寬度5.6m，煤巖體均采用拉剪復(fù)合破壞屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性本構(gòu)模型，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3.1.1 頂板錨索支護(hù)初設(shè)參數(shù)確定

頂板錨索預(yù)緊力為100kN、150kN、200kN、250kN四種工況下的支護(hù)應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果如圖2(a)—(d)所示，其中，各工況頂板錨索間距為1.2m，排距為2.0m。從圖中可清晰地看出：各工況下錨索兩端附近圍巖的壓應(yīng)力最大，之間被錨索夾持的區(qū)域次之；隨錨索預(yù)緊力的增加，被錨索夾持的錨固區(qū)域的壓應(yīng)力大小及分布范圍均隨之增大，當(dāng)錨索預(yù)緊力超過200kN后，沿錨索軸向、相鄰錨索之間的頂板錨固區(qū)煤巖體壓應(yīng)力均開始貫通。頂板錨索排距為3.0m、2.5m、2.0m、1.5m四種工況下的支護(hù)應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果如圖2(e)—(h)所示，從圖中可清晰地看出：當(dāng)頂板錨索排距是1.5m時(shí)，頂板相鄰錨索產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場相互疊加，沿錨索軸向最小重疊應(yīng)力場高度約為錨索長度的2/3，當(dāng)錨索排距增至2.0m時(shí)，頂板相鄰錨索支護(hù)壓應(yīng)力場重疊區(qū)域開始減少，錨索軸向重疊的應(yīng)力場高度已降至錨索長度的1/3，當(dāng)頂板錨索排距超過2.5m后，相鄰錨索產(chǎn)生的壓應(yīng)力場已不再疊加。

表1 趙莊煤礦3號煤的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

圖2 不同錨索預(yù)緊力和排距下的 頂板支護(hù)應(yīng)力場

圖3 不同錨索預(yù)緊力和排距下的 巷幫支護(hù)應(yīng)力場

3.1.2 巷幫錨索支護(hù)初設(shè)參數(shù)確定

巷幫錨索預(yù)緊力為100kN、150kN、180kN、200kN四種工況下的支護(hù)應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果如圖3(a)—(d)所示，其中，各工況巷幫錨索間距為0.95m，排距為1.5m。從圖中可清晰地看出，與頂板錨索支護(hù)應(yīng)力場分布規(guī)律相一致，巷幫錨索兩端附近圍巖的壓應(yīng)力最大，之間被錨索夾持的區(qū)域次之，隨錨索預(yù)緊力的增加，被錨索夾持的錨固區(qū)域的壓應(yīng)力大小及分布范圍均隨之增大，當(dāng)錨索預(yù)緊力超過150kN后，沿錨索軸向、相鄰錨索之間的巷幫錨固區(qū)煤巖體壓應(yīng)力均開始貫通。巷幫錨索排距為3.0m、2.5m、2.0m、1.5m四種工況下的支護(hù)應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果如圖3(e)—(h)所示，從圖中可清晰地看出：與頂板錨索支護(hù)應(yīng)力場分布規(guī)律相一致，當(dāng)巷幫錨索排距為1.5m時(shí)，巷幫相鄰錨索產(chǎn)生的支護(hù)應(yīng)力場相互疊加，沿錨索軸向最小重疊應(yīng)力場高度約為錨索長度的2/3，當(dāng)巷幫錨索排距增至2.0m時(shí)，相鄰錨索支護(hù)壓應(yīng)力場重疊區(qū)域開始減少，錨索軸向重疊的應(yīng)力場高度已降至錨索長度的1/2，當(dāng)巷幫錨索排距超過2.5m后，相鄰錨索產(chǎn)生的壓應(yīng)力場已不再疊加。

上述數(shù)值模擬結(jié)果表明，預(yù)緊力是巷道錨桿索主動支護(hù)的重要指標(biāo)，提高錨索預(yù)緊力可顯著增加錨索對錨固區(qū)煤巖體的夾持效應(yīng)，提高錨固區(qū)煤巖體的剛度和強(qiáng)度。為較好地發(fā)揮全錨索結(jié)構(gòu)的支護(hù)性能，設(shè)計(jì)趙莊煤礦頂板錨索預(yù)緊力不小于250kN，兩幫錨索預(yù)緊力不小于150kN；當(dāng)圍巖強(qiáng)度高、完整性好時(shí)，錨索間排距最大不超過2.0m，當(dāng)圍巖強(qiáng)度弱、完整性不好時(shí)，錨索間排距最大不超過1.5m。

3.2 全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)方案

基于上述全錨索巷道支護(hù)應(yīng)力場的數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合趙莊煤礦3號煤層賦存地質(zhì)特征及圍巖結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度特性，在不改變原回采巷道尺寸下，提出采用全斷面高預(yù)緊力錨索代替原錨桿索聯(lián)合支護(hù)。設(shè)計(jì)的全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)如圖4所示。其中，頂板采用型號為SKP22-1/1720-6300的錨索，間排距均為1.2m，靠幫側(cè)錨索距幫0.35m，采用“兩長一短”三支樹脂錨固劑端頭錨固，預(yù)緊力不小于250kN；兩幫采用型號為SKP17.8-1/1860-5300的錨索，間距0.95m，距頂和底分別為0.3m和0.4m，排距1.2m，采用“兩長一短”三支樹脂錨固劑端頭錨固，預(yù)緊力不小于150kN。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

趙莊煤礦3306工作面33063回采巷道采用全錨索支護(hù)，巷道支護(hù)后經(jīng)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，工作面回采影響下，超前和滯后工作面約50m范圍內(nèi)巷道圍巖變形最為劇烈，滯后工作面約100～150m后，巷道圍巖變形基本趨于穩(wěn)定；鄰近工作面回采后，33063巷頂?shù)装遄畲笠平繛?.1～1.3m，其中頂板下沉量降至96～140mm，兩幫最大移近量為0.52～0.6m。巷道錨索軸力監(jiān)測結(jié)果表明，巷道頂板和兩幫錨索最大軸力為其破斷力的70%～90%，極少數(shù)個(gè)別地方會出現(xiàn)錨索破斷失效的現(xiàn)象。因此，采用全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)技術(shù)后，較原錨桿索聯(lián)合支護(hù)下巷道兩幫及頂板變形顯著降低，回采巷道基本不需要進(jìn)行維修就能滿足生產(chǎn)通風(fēng)的使用要求，降低了巷道維護(hù)成本，節(jié)省了大量的人力、物力，同時(shí)更為工作面的掘進(jìn)、回采交接節(jié)省了大量的時(shí)間，保證了工作面的安全高效回采。

全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)技術(shù)在趙莊煤礦3號煤層回采巷道的應(yīng)用表明，與原先采用的錨桿索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)相比，對于高地應(yīng)力、軟巖互層的復(fù)合頂板條件下，該支護(hù)技術(shù)可有效控制大斷面回采巷道的圍巖變形，除巷幫個(gè)別地方向巷內(nèi)擠出導(dǎo)致頂角錨索有破斷現(xiàn)象之外，變形后的巷道可滿足使用要求，不需要對巷道進(jìn)行擴(kuò)修；總體來說回采巷道采用全錨索支護(hù)后，完全控制了頂板的下沉，在經(jīng)受回采動壓的強(qiáng)烈影響后頂板下沉量最大達(dá)到140mm；作為留巷二次復(fù)用巷道也只需要進(jìn)行個(gè)別地方的挖底工作就能滿足巷道的復(fù)用要求。

圖4 趙莊煤礦3號煤層回采巷道全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)方案(mm)

5 結(jié) 語

通過采用實(shí)驗(yàn)室測試、現(xiàn)場測試的方法，明確了趙莊煤礦地應(yīng)力分布特征、軟巖互層頂板的結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)度特性等地質(zhì)力學(xué)特征，在深入分析原錨桿索聯(lián)合支護(hù)下回采巷道礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出了全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)技術(shù)，采用數(shù)值模擬方法確定了錨索的最佳支護(hù)參數(shù)，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了該支護(hù)技術(shù)的有效性，即全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)技術(shù)可較好地控制高地應(yīng)力、軟巖互層復(fù)合頂板條件下大斷面回采巷道的圍巖變形，有效解決了趙莊煤礦采掘接續(xù)緊張問題，保障了工作面的安全高效回采。