復(fù)合頂板松軟煤層巷道破壞機(jī)理及高預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)研究

＊楊 超

（山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 030500）

復(fù)合頂板管理工作屬于巷道支護(hù)的重點(diǎn)部分，可通過高預(yù)應(yīng)力衍架結(jié)構(gòu)避免頂板發(fā)生變形問題，聯(lián)系復(fù)合頂板松軟煤層巷道破壞機(jī)理分析，實(shí)行力學(xué)模型系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)用高預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)處理保證圍巖的穩(wěn)定性。

1.工作面基本情況概述

11-0031巷在井下+800m，埋深、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂直應(yīng)力分別為：285m、8.6MPa、4.46MPa、6.68MPa。地應(yīng)力場(chǎng)處于量值上為地應(yīng)力區(qū)。巷道順著11#煤頂板掘進(jìn)位置，煤層的厚度約為2.5m。11#煤頂?shù)装鍘r性情況：

（1）埋深276.5m、層厚為1m，巖石名稱為9#煤層，巖性：9#煤層、薄煤層，而且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；

（2）埋深280.1m、層厚為1.2m，巖石名稱為泥巖，巖性：泥巖、灰黑色、含有植物化石；

（3）埋深285m、層厚為1.2m，巖石名稱為11#煤層，巖性：11#煤層、中厚煤層、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；

（4）埋深290.8m、層厚為2m，巖石名稱為泥巖、灰黑色、存在植物化石；

（5）埋深295.6m、層厚為1.6m，巖石名稱為泥巖，巖性：泥巖呈灰黑色，具有植物化石；

（6）埋深296.6m、層厚為3.02m，巖石名稱為K1砂巖，巖性：K1砂巖呈灰白色，質(zhì)地堅(jiān)硬。

通過工程類比法、錨桿支護(hù)理論分析方法，使得巷道斷面確定為矩形，掘?qū)?.5m×掘高3m，工作面順著11#煤層頂板掘進(jìn)，頂板通過錨網(wǎng)和鋼帶進(jìn)行錨索支護(hù)。其中頂帽選擇增強(qiáng)錨桿Φ20mm×2.5mm，間排距為800mm×800mm；頂錨索選擇鋼絞線Φ21.5mm×8mm，間排距為1500mm×2000mm，間隔5m施工一組到K2灰?guī)r＞1.2m。錨索托盤選擇22#槽鋼匹配180mm×180mm×10mm平鋼板，另外選擇2條樹脂錨固劑。

2.復(fù)合頂板松軟煤層巷道破壞的主要機(jī)理

圖1 頂板0.8m破碎情況

圖2 頂板1.2m破碎情況

工作面掘進(jìn)的過程頂板無法保持平整、完整，而且容易發(fā)生迎頭隨掘隨落情況，平均冒落高度約為0.6m。巷道內(nèi)局部存在錨索外露、金屬網(wǎng)為銹蝕的狀態(tài)，錨索托盤變形嚴(yán)重且頂板離層、破碎、可見網(wǎng)包，兩幫比較完整、原支護(hù)條件無法達(dá)到巷道支護(hù)強(qiáng)度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]?，F(xiàn)場(chǎng)多通過架設(shè)一梁三柱的處理方式，達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的目的，在控制巷道變形方面的優(yōu)勢(shì)突出，不足：會(huì)在不同程度對(duì)后期整體支護(hù)效果造成直接影響，不利于順利執(zhí)行巷道管理工作。待巷道開挖巷道圍巖應(yīng)力得以再次分布，頂板內(nèi)部受到嚴(yán)重破壞，這時(shí)可使用窺視儀觀察內(nèi)部受到破壞情況，發(fā)現(xiàn)頂板前部1.2m內(nèi)煤巖體存在離層、破碎圍巖、隨裂隙發(fā)育。巷道不斷推進(jìn)的同時(shí)，裂隙、破碎帶發(fā)育加深，并且松動(dòng)的范圍加大。

(1)頂板淋水破壞機(jī)理

因頂板距離K2灰?guī)r/其他含水層的距離非常近，而且局部頂板為裂隙發(fā)育，因此施工錨索過程中會(huì)逐漸形成導(dǎo)水孔，這時(shí)安裝錨索錨固劑遇水后物理性質(zhì)受到嚴(yán)重破壞，而這也是造成錨桿錨固力降低、錨索錨固力降低的基本原因，無法確保整體支護(hù)的效果[2-3]。除此之外，水關(guān)系到錨固劑凝結(jié)的速度，發(fā)生錨固劑流失、錨索錨固長度下降、錨桿錨固長度降低的概率提升。泥巖浸水圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化非常大、內(nèi)聚力下降，淋水和風(fēng)干情況下圍巖強(qiáng)度受到直接影響，且裂隙及松動(dòng)圈的范圍不斷加大。淋水中存在煤層硫份錨桿、錨索以及鋼筋網(wǎng)等腐蝕問題嚴(yán)重，金屬構(gòu)件力學(xué)性能受到直接影響，這時(shí)不能確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

(2)支護(hù)材料選擇破壞機(jī)理

錨索托盤使用的為22#槽鋼配套平板鋼，因頂板表面無法保持平整的狀態(tài)、錨索施工作業(yè)處于槽鋼孔中心位置，因而錨索傾斜的角度是比較大的，這時(shí)錨索外露部分會(huì)發(fā)生彎剪破壞問題，對(duì)于錨索預(yù)緊力擴(kuò)散造成不同程度威脅。同時(shí)，槽鋼孔、鋼板屬于人工氧焊，成孔不能達(dá)到平滑的狀態(tài)，易于產(chǎn)生剪切錨索的狀況。平托板不能調(diào)心產(chǎn)生錨索受力偏載問題的可能性較大，嚴(yán)重情況還會(huì)導(dǎo)致錨索切斷問題發(fā)生。

(3)預(yù)緊力設(shè)定破壞機(jī)理

設(shè)計(jì)中錨索預(yù)緊力為150kN，考慮到錨索張拉處理后部分預(yù)緊力喪失，直徑Φ21.5mm錨索索體破斷載荷約為500kN，錨桿錨索預(yù)緊力初始值中要求預(yù)緊力為桿體屈服強(qiáng)度45%左右，錨索預(yù)緊力為初始預(yù)緊力桿體屈服強(qiáng)度60%左右，可見錨索設(shè)計(jì)預(yù)緊力更低，則無法很好的發(fā)揮出錨索懸吊的功能[4]。

(4)巷道圍巖性質(zhì)破壞機(jī)理復(fù)合頂板存在顯著層狀的特性，鄰近巖層間在厚度、彈性模量方面差異性較大，所以致使層間粘結(jié)力不同程度下降，在擾動(dòng)因素影響下順著夾層產(chǎn)生水平方向剪切滑移問題、垂直方向拉伸離層受到嚴(yán)重破壞問題。存在數(shù)個(gè)軟弱夾層/煤層頂板，軟弱夾層/煤線厚度非常小，節(jié)理發(fā)育、裂隙發(fā)育均良好，高應(yīng)力條件下產(chǎn)生層間剝離的可能性較大。泥巖作為不穩(wěn)定巖層，待巷道開挖后圍巖應(yīng)力保持平衡，在頂板自身承載力、風(fēng)化條件下巷道局部應(yīng)力比較集中，故而會(huì)造成變形、受到破壞的情況。

3.復(fù)合頂板松軟煤層巷道高預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用探討

(1)完善相關(guān)支護(hù)參數(shù)

長錨索預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散的效果并不理想，所以不能提高支護(hù)的效果，這時(shí)建議通過縮短錨索長度的方式處理。按錨索破斷載荷、應(yīng)力受損情況，明確錨索預(yù)緊力約為220kN，錨索錨固區(qū)固定于巖層厚度較大、穩(wěn)定性較佳巖層中，避免造成不良的影響。同時(shí)選擇長錨索作為骨架，選擇短錨索/錨桿對(duì)淺部養(yǎng)成不連續(xù)面支護(hù)方式加以有效控制，從而提高巷道的穩(wěn)定性。頂板沒有穩(wěn)定性巖層，則需確保錨索長度＞自然平衡拱1.8～2.2m。另外，建議選擇力學(xué)性能和錨索強(qiáng)度配套的拱形高強(qiáng)度錨索托盤，拱高為65mm，并應(yīng)該安裝高強(qiáng)度調(diào)心球墊。

(2)嚴(yán)格控制頂板淋水情況

巷道變坡點(diǎn)/頂板存在破碎及裂隙的時(shí)候，頂板發(fā)生淋水的可能性非常大，進(jìn)到頂板淋水區(qū)域需布設(shè)疏水鉆孔防水，鉆孔使用的為全液壓鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭，可以在巷道中心位置順著巷道掘進(jìn)的方向施工疏水孔。鉆孔和頂板的夾角、鉆孔和巷道的夾角分別為：45°、0°，深度在12m左右，可施工2個(gè)疏水孔將間距設(shè)置為4.5m。實(shí)行放水處理后頂板的淋水問題得以改善，放水的目的為降低水對(duì)于泥巖的弱化，并且利于提升錨固劑錨固的效果[5-6]。在實(shí)行錨索施工作業(yè)過程中，錨索端頭禁止施工到K2灰?guī)r，頂板發(fā)生淋水狀況后經(jīng)2條樹脂錨固劑——1條樹脂錨固劑轉(zhuǎn)變，可將樹脂錨固劑置于孔底位置，究其原因?yàn)槌煨湾^固劑可在較短的時(shí)間達(dá)到凝固的目的，有助于加大錨固長度有效控制端頭錨固劑的流失，滿足錨索預(yù)緊力的相關(guān)要求。

(3)有效控制工程的質(zhì)量

在巷道開挖初期圍巖不易發(fā)生變形問題，建議及時(shí)安裝錨網(wǎng)索支護(hù)防止發(fā)生圍巖變形情況，這個(gè)過程要求認(rèn)真遵循安全生產(chǎn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程作業(yè)，以此使得所有支護(hù)參數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。而為提高圍巖支護(hù)的整體效果，在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)構(gòu)建地質(zhì)力學(xué)評(píng)估體系、初始設(shè)計(jì)體系、井下監(jiān)測(cè)體系、日常監(jiān)控體系等。除此之外，需做好數(shù)據(jù)觀測(cè)、收集、分析，以及信息反饋、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行和回饋等管理工作，主要的目的為達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)頂板變化的目的，對(duì)礦壓變化的規(guī)律加以深入分析，不斷完善支護(hù)的設(shè)計(jì)[7]。

圖3 工程質(zhì)量控制

4.結(jié)語

高預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，利于有效改善支護(hù)環(huán)境，確保巷道圍巖的安全、穩(wěn)定及支護(hù)的整體效果，所以需要優(yōu)化支護(hù)參數(shù)、避免頂板淋水、提高工程施工質(zhì)量，進(jìn)而充分發(fā)揮出高預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)的作用。