大采高含黃泥層頂板巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

郭 軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)長(zhǎng)治仙泉煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

0 引言

在煤礦井下巷道掘進(jìn)支護(hù)過程中，科學(xué)合理的支護(hù)設(shè)計(jì)是確保巷道頂板安全管理和快速掘進(jìn)的重要條件[1-2]，特別是對(duì)復(fù)雜頂板條件下的巷道，若支護(hù)設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)造成巷道圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重破壞變形，嚴(yán)重時(shí)可能造成巷道大面積冒落，引發(fā)頂板事故[3-4]。針對(duì)晉煤仙泉煤礦15103運(yùn)輸順槽地質(zhì)情況，通過對(duì)巷道礦壓特征進(jìn)行分析，并對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在此基礎(chǔ)上提出巷道支護(hù)設(shè)計(jì)方案，取得良好的支護(hù)效果。

1 工程概況

仙泉煤礦設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力120萬(wàn)t/a，井田內(nèi)穩(wěn)定可采煤層為3號(hào)、15號(hào)煤層。15103工作面位于井田東部，主采15號(hào)煤層，煤層厚3.7～7.15 m，平均5.20 m。工作面運(yùn)輸順槽沿煤層頂板掘進(jìn)施工，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1495 m，為矩形斷面，巷高3.8 m，巷寬4.9 m。15103運(yùn)輸順槽直接頂板為K2灰?guī)r，厚度5.8～9.26 m，平均厚7.73 m，以層狀結(jié)構(gòu)巖層為主，層狀結(jié)構(gòu)中軟弱巖層分布少，局部為泥巖，巷道在掘進(jìn)過程中頂板局部出現(xiàn)黃泥層，厚度2.0～3.0 m。底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖等，厚0.90～7.10 m，平均2.82 m。由于黃泥層結(jié)構(gòu)松軟，吸水易軟化，局部孔洞發(fā)育，穩(wěn)定性差；受頂板黃泥層影響，在工作面掘進(jìn)施工過程注錨困難，頂板不易控制，給巷道頂板安全管理和快速掘進(jìn)帶來較大困難。工作面煤層頂板綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 15103工作面煤層頂板綜合柱狀圖

2 巷道礦壓特征分析

根據(jù)15103運(yùn)輸順槽煤巖層地質(zhì)特征，考慮節(jié)理裂隙影響石灰?guī)r的普氏系數(shù)fm取1，由于巷道頂板為石灰?guī)r，加權(quán)平均普氏系數(shù)fb=fm=1.5，煤層的內(nèi)摩擦角θb=tan-1fd=56.3°。

按照公式（1）計(jì)算15103運(yùn)輸順槽最大片幫深度為1.15 m。

頂板不穩(wěn)定巖層高度按自然平衡拱高度可按公式（2）計(jì)算：

式中：hg為頂板自然平衡拱高度，m；α為巷道掘進(jìn)寬度之半，m；fd為頂板普氏系數(shù)，取2。

根據(jù)公式（2）計(jì)算得出運(yùn)輸順槽頂板自然平衡拱高度為1.8m。

巷道頂壓按公式（3）計(jì)算：

式中：Qd為巷道頂壓，k N/m；γd為頂板巖體容重，取26 k N/m3。

根據(jù)公式（3）計(jì)算得出運(yùn)輸順槽頂板頂壓為224.64 k N/m。

巷道側(cè)壓按公式（4）計(jì)算。

式中：Qc為巷道側(cè)壓，k N/m；γb為巷幫煤的容重，取13.8 k N/m3；b為頂板自然平衡拱高度（hg），m。

根據(jù)公式（4）計(jì)算得出運(yùn)輸順槽巷幫側(cè)壓為18.02 k N/m。

根據(jù)以上分析巷道頂板受層理裂隙影響，易導(dǎo)致巖層裂隙發(fā)生擴(kuò)張或剪切滑移、斷裂等不利現(xiàn)象。幫部巖層性質(zhì)介于裂隙體與破碎體之間，易發(fā)生片幫、垮幫現(xiàn)象[5-6]。片幫、垮幫等現(xiàn)象的發(fā)生，會(huì)導(dǎo)致巷幫對(duì)巷道頂板的支撐作用減弱，使巷道有效跨度增大，從而造成頂板巖層變形加劇。

3 巷道數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

本次模擬主要計(jì)算順槽開挖在無支護(hù)條件下圍巖應(yīng)力分布規(guī)律、圍巖變形特征以及屈服范圍大小。數(shù)值模擬采用F LAC3D計(jì)算軟件[7-8]，建立的數(shù)值分析模型如圖2所示。

圖2 巷道數(shù)值分析模型

3.2 巷道模擬分析

3.2.1 模擬方案

通過改變巷道錨桿、錨索的長(zhǎng)度、直徑、間排距等參數(shù)，采用2種不同支護(hù)方案進(jìn)行模擬，模擬方案如下所示：

方案一：巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)

方案二：巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)見表1。

表2 巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)

3.2.2 圍巖屈服破壞分析

巷道圍巖屈服破壞模擬分析變化情況如圖3所示。從圖中分析可知：巷道在不支護(hù)的條件下屈服范圍為1.5 m左右，在巷道頂板的中上部圍巖產(chǎn)生的屈服破壞深度范圍較大。巷道極易產(chǎn)生破壞，若不及時(shí)對(duì)巷道采取支護(hù)措施時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致頂板大面積垮落，幫部會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重片幫現(xiàn)象；在支護(hù)條件下，根據(jù)錨桿支護(hù)擠壓加固理論和整體錨固原則，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，將頂板和兩幫圍巖屈服破壞范圍形成整體錨固結(jié)構(gòu)體，巷道圍巖的屈服破壞情況得到了明顯的改善。

圖3 有無支護(hù)條件下巷道圍巖屈服破壞圖

通過改變巷道錨桿、錨索的長(zhǎng)度、直徑、間排距等參數(shù)，對(duì)2種不同支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨桿、錨索材質(zhì)一定時(shí)，錨桿、錨索的長(zhǎng)度、直徑越大，間排距越小，巷道圍巖屈服破壞范圍越小，越有

利于維持巷道的穩(wěn)定，對(duì)支護(hù)越有利。

3.2.3 錨桿、錨索受力分析

采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)后，錨索錨桿受力情況分別如圖4所示。從圖中可以看出：采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，錨索錨桿承受了直接頂、巷幫應(yīng)力，增強(qiáng)了巷道穩(wěn)定性，明顯改善巷道圍巖強(qiáng)度。通過改變巷道錨桿、錨索的長(zhǎng)度、直徑、間排距等參數(shù)，對(duì)2種不同支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨桿、錨索材質(zhì)一定時(shí)，錨桿、錨索的長(zhǎng)度、直徑越大，間排距越小，錨桿、錨索所承受的支護(hù)阻力和錨桿支護(hù)系統(tǒng)剛度越大，對(duì)支護(hù)越有利。

圖4 錨索錨桿受力情況分析

3.2.4 巷道圍巖位移變化分析

如圖5和圖6所示為巷道圍巖在垂直方向和水平方向位移變化模擬分析。根據(jù)圖中分析可知，在巷道不采取支護(hù)時(shí)，其頂板下沉量最大為65.4 mm，底鼓量最大為20.5 mm；在采用支護(hù)方案一的條件下，巷道頂板下沉量最大為51.1 mm，底鼓量最大為20.1 mm；在支護(hù)方案二的條件下頂板下沉量最大為51.8 mm，底鼓量最大為20.3 mm。通過改變巷道錨桿、錨索的長(zhǎng)度、直徑、間排距等參數(shù)，對(duì)2種不同支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨桿、錨索材質(zhì)一定時(shí)，錨桿、錨索的長(zhǎng)度、直徑越大，間排距越小，巷道圍巖的頂板下沉量和底鼓量越小，越有利于維持巷道的穩(wěn)定，對(duì)支護(hù)越有利。

圖5 有無支護(hù)條件下巷道圍巖垂直位移變化分析

圖6 有無支護(hù)條件下巷道圍巖水平位移變化分析

4 巷道支護(hù)方案

根據(jù)上述模擬分析結(jié)果，結(jié)合工作面實(shí)際情況，巷道掘進(jìn)時(shí)當(dāng)頂板為黃泥層且錨桿達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)設(shè)計(jì)巷道采用全錨索+金屬網(wǎng)+幫錨桿聯(lián)合支護(hù)方案（支護(hù)設(shè)計(jì)圖如圖7所示）。

圖7 工作面支護(hù)示意圖

4.1 頂板錨索支護(hù)

1）錨索形式和規(guī)格：采用型號(hào)為SK P22-1/1720的1×19股高強(qiáng)度低松弛鋼絞線制，Φ22 mm，抗拉強(qiáng)度1 720 MPa，長(zhǎng)度4 300 mm。（可根據(jù)頂板巖層情況增加單根錨索或全部錨索長(zhǎng)度，確保錨固段位于穩(wěn)定的巖層中）。

2）錨索布置：每排布置5根錨索，間排距1 100 mm×1 200 mm，錨索垂直巷道頂板，距幫250 mm。

3）錨索錨固方式：1支規(guī)格為M SK2335，2支規(guī)格為M SZ2360（先放藥卷M SK2335，后放2支藥卷M SZ2360），鉆孔直徑為30 mm，錨固長(zhǎng)度2.143 m。

4）錨索預(yù)緊力：不小于270 k N。

5）錨索錨固力：大于200 k N（要求礦方現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，達(dá)不到設(shè)計(jì)錨固力要及時(shí)調(diào)整錨固長(zhǎng)度）。

6）錨索打注后采用2根長(zhǎng)度不小于500 mm的10號(hào)鐵絲成正十字形對(duì)錨索托盤進(jìn)行捆綁，每根鐵絲的兩端在靠近錨索托盤邊緣的網(wǎng)片上扭結(jié)不少于3圈，中部在錨具下方扭結(jié)錨索不少于3圈。

7）網(wǎng)片規(guī)格：采用Φ6.0 mm的鋼筋焊接網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格為：長(zhǎng)2.5 m，寬1.3 m，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。網(wǎng)與網(wǎng)之間采用雙股交替搭接形式，搭接長(zhǎng)度100 mm，采用16號(hào)雙股聯(lián)網(wǎng)絲雙邊交叉連接，每隔100 mm聯(lián)接一道，每道不少于3圈。

4.2 幫錨桿支護(hù)

1）錨桿形式和規(guī)格：錨桿形式和規(guī)格：回采側(cè)幫部停采線內(nèi)采用MG SL 20×2 000 mm玻璃鋼錨桿，停采線外采用M SGLW-400/20-2000 mm螺紋鋼錨桿，煤柱側(cè)幫部采用M SGLW-400/20-2000 mm螺紋鋼錨桿，桿尾高強(qiáng)錨桿螺母M22，型號(hào)為?20-M22-2000。

2）錨桿錨固方式：樹脂加長(zhǎng)錨固，采用2種規(guī)格樹脂錨固劑，先放1支規(guī)格為M SK2335，再放1支規(guī)格為M SZ2360，鉆孔?30 mm，錨固長(zhǎng)度1.317 m。

3）錨桿布置：每排4根錨桿，間排距1 100 mm×1 200 mm，靠近頂?shù)囊桓斿^桿距頂板250 mm。靠近頂?shù)装宓腻^桿安設(shè)角度與水平成10°，其余與巷幫垂直。

4）錨桿預(yù)緊力矩：玻璃鋼錨桿預(yù)緊力矩為60 N·m，螺紋鋼錨桿預(yù)緊力矩不小于250 N·m。

5）錨桿錨固力：玻璃鋼錨桿錨固力為70 k N，螺紋鋼錨桿錨固力不低于130 k N（要求礦方現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，達(dá)不到設(shè)計(jì)錨固力要及時(shí)調(diào)整錨固長(zhǎng)度）。

6）托盤：金屬拱形高強(qiáng)度托盤，尺寸為150 mm×150 mm×10 mm（長(zhǎng)×寬×厚）。

7）網(wǎng)片規(guī)格：高強(qiáng)度抗阻燃性塑料網(wǎng)，網(wǎng)幅50×1.3 m，網(wǎng)格40×40 mm；網(wǎng)與網(wǎng)之間采用綁絲連接，連接方式為16號(hào)雙股綁絲每100 mm連接一道；如煤幫松軟，幫錨桿另加W鋼帶托盤。

8）錨桿配件：采用螺母、阻尼墊圈和調(diào)心球型墊。

5 應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證15103運(yùn)輸順槽支護(hù)方案是否達(dá)到設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度要求，采用“十字”觀測(cè)法在巷道內(nèi)每間隔50 m布置1個(gè)測(cè)站，通過對(duì)巷道頂?shù)装逦灰屏亢蛶筒恳平壳闆r進(jìn)行定期觀測(cè)采集，對(duì)數(shù)據(jù)整理分析后繪制出如圖8所示變化曲線。

圖8 15103運(yùn)輸順槽巷道頂?shù)装寮皫筒恳平孔兓€圖

由圖8分析可知，巷道在開挖后20 d內(nèi)圍巖頂?shù)装逦灰屏亢蛶筒恳平孔兓^大，其中頂?shù)装逡平窟_(dá)到了80 mm左右，兩幫移近量達(dá)到了40 mm左右，在20 d以后，巷道圍巖逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)，變形量逐漸趨于平緩，最終頂?shù)装逦灰屏糠€(wěn)定在88 mm左右，兩幫移近量穩(wěn)定在48 mm左右。據(jù)此分析可知，巷道圍巖變形量在可控范圍之內(nèi)，支護(hù)方案滿足支護(hù)設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

1）15103運(yùn)輸順槽巷道頂板受層理裂隙影響，易導(dǎo)致裂隙擴(kuò)張或剪切滑移、斷裂等不利現(xiàn)象。幫部巖性介于裂隙體與破碎體之間，易發(fā)生片幫、垮幫現(xiàn)象。片幫、垮幫等現(xiàn)象的發(fā)生，會(huì)削弱巷幫對(duì)頂板的支撐作用，使巷道有效跨度增大、頂板巖層變形加劇。

2）采用新設(shè)計(jì)的支護(hù)方案后，15103運(yùn)輸順槽巷道圍巖頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟烤诳煽胤秶畠?nèi)，巷道結(jié)構(gòu)整體性較好，巷道圍巖變形得到有效控制。