11-104 工作面軟弱頂板頂幫協(xié)同支護(hù)技術(shù)研究

王飛飛

（山西焦煤集團(tuán)介休正益煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000）

1 概況

正益煤業(yè)11-104 工作面位于一采區(qū)，工作面南鄰西運(yùn)輸大巷，西鄰西翼回風(fēng)下山，東部為未開采的實(shí)體煤，北鄰F17 正斷層（落差10.6 m）。工作面開采11#煤層，煤層均厚為2.5 m，平均傾角為10°，含有一層夾矸，煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。11-104 工作面運(yùn)輸順槽沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，掘進(jìn)寬×高=4.0 m×3.0 m。由于巷道頂板巖層較為軟弱，頂板屬于軟弱頂板，為有效保障巷道圍巖的穩(wěn)定，需進(jìn)行軟弱頂板圍巖控制技術(shù)研究。

表1 頂?shù)装鍘r層特征表

2 頂幫協(xié)同支護(hù)技術(shù)

2.1 復(fù)合軟弱頂板破壞機(jī)理

在軟弱圍巖內(nèi)開掘巷道時(shí)，巷道在無支護(hù)條件下，頂板及兩幫煤體的變形空間關(guān)系如圖1（a）。從圖中能夠看出，部分頂板發(fā)生一定的離層變形，且離層變形的頂板巖層會(huì)擠壓兩幫煤體，兩幫煤體在受到上覆離層頂板壓力的作用下出現(xiàn)一定的極限塑性區(qū)[1-3]。

圖1 巷道無支護(hù)下圍巖變形及力學(xué)模型示意圖

為有效分析軟弱復(fù)合頂板巷道的破壞機(jī)理，取單位為1 的巷道進(jìn)行受力分析，建立復(fù)合軟弱頂板巷道力學(xué)模型如圖1（b）。圖中l(wèi) 為巷道的寬度，m；a1為幫部極限塑性區(qū)的寬度，m；q1為幫部塑性擠壓變形后的殘余抗壓強(qiáng)度，MPa；q0為頂板巖層受到的覆巖壓力，kN。根據(jù)建立的力學(xué)模型，通過力學(xué)推導(dǎo)巷道的力學(xué)平衡條件為：

由于模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，通過對(duì)受力模型的右半部分進(jìn)行受力分析，能夠得出直接頂巖層各截面上的彎矩為：

式中：M為直接頂受到的最大彎矩值，N·m；其余各項(xiàng)符號(hào)的含義同上。從公式（2）中能夠看出，巷道直接頂各巖層最大彎矩在x=0 或l/2 的位置處取得，即巷道最大彎矩出現(xiàn)在巷道肩角或中間位置[4-5]，巷道最大彎矩處的最大彎曲正應(yīng)力的表達(dá)式為：

式中：W=h2/6；h為巖層的厚度，m；σmax為巷道頂板最大彎矩處受到的最大彎曲正應(yīng)力，MPa。

從式（2）中能夠看出，巷道頂板最大彎矩處受到的最大彎曲正應(yīng)力隨著幫部極限塑性區(qū)寬度的增大而逐漸增大。若為有效地加強(qiáng)幫部支護(hù)，此時(shí)巷道兩幫塑性區(qū)的發(fā)育寬度會(huì)逐漸增大，隨著兩幫塑性區(qū)寬度的擴(kuò)大，巷道頂板所受的最大拉應(yīng)力σmax會(huì)持續(xù)增大，頂板巖層所受的拉應(yīng)力會(huì)增大至頂板出現(xiàn)拉伸破壞現(xiàn)象[6]。據(jù)此可知，若要有效保障復(fù)合軟弱頂板的穩(wěn)定，可通過增大巷道幫部圍巖體支護(hù)強(qiáng)度的方式。

2.2 頂幫協(xié)同支護(hù)原理

根據(jù)上述復(fù)合軟弱頂板破壞機(jī)理的分析結(jié)果可知，針對(duì)該類圍巖的巷道進(jìn)行支護(hù)時(shí)，由于頂板巖層軟弱，僅從提高頂板巖層支護(hù)強(qiáng)度的角度出發(fā)較難控制圍巖變形，也需要提高巷道幫部煤巖體的支護(hù)強(qiáng)度，使得巷幫在一定程度可分擔(dān)頂板巖層承載的荷載，使得巷道在頂板和幫部實(shí)現(xiàn)協(xié)同支護(hù)。復(fù)合軟弱頂板采用錨桿+補(bǔ)強(qiáng)錨索的支護(hù)形式，可有效強(qiáng)化巷道頂板的強(qiáng)度，且錨索的錨固長度需保障錨固在頂板穩(wěn)定巖層內(nèi)，以有效控制頂板巖層中離層現(xiàn)象的出現(xiàn)。巷道幫部采用錨桿+錨索的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，錨桿的主要作用為加強(qiáng)幫部煤體錨固體的強(qiáng)度，錨索通過錨固在深部未塑性變形的區(qū)域向淺部煤體內(nèi)施工高預(yù)拉力，一次達(dá)到增強(qiáng)煤體強(qiáng)度和承載性能的效果。具體復(fù)合軟弱頂板巷道頂幫協(xié)同支護(hù)技術(shù)控制思路如圖2。

圖2 頂幫協(xié)同支護(hù)控制思路示意圖

復(fù)合軟弱頂板巷道圍巖在幫部施工錨桿和錨索后，幫部煤體的強(qiáng)度得到了有效的強(qiáng)化加固，提高了幫部的承載能力，達(dá)到間接控制頂板下沉的效果，以此實(shí)現(xiàn)復(fù)合軟弱頂板巷道幫頂同治的支護(hù)效果。

3 支護(hù)方案與效果

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)11-104 回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件，結(jié)合頂幫協(xié)同支護(hù)控制思路，確定巷道采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板及幫部均采用錨桿+錨索的支護(hù)方式，具體支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)。錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，型號(hào)為HRB335，規(guī)格Φ20 mm×2400 mm，間排距800 mm×800 mm，錨桿采用加長錨固，錨固作業(yè)時(shí)Z2360 和CK2335 樹脂錨固劑各一支，巷道頂角兩錨桿與頂板成15°布置，其余垂直頂板布置，錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m；頂板錨索采用1×7股高強(qiáng)鋼絞線，規(guī)格Φ21.6 mm×8300 mm，錨索布置形式為“2-2-2”，即每間隔兩排錨桿布置一排錨索，間排距1600 mm×1600 mm，錨索采用一支CK2335 和兩支Z2360 型樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，預(yù)緊力為150 kN，錨索均垂直于巷道頂板進(jìn)行打設(shè)，巷道表面鋪設(shè)10#鐵絲金屬網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，錨桿索間通過鋼筋梯子梁進(jìn)行連接。

（2）兩幫支護(hù)。錨桿材質(zhì)、規(guī)格參數(shù)、錨固形式均同頂板錨桿，間排距為800 mm×800 mm，預(yù)緊扭矩為300 N·m，幫部錨索采用1×7 股鋼絞線，規(guī)格參數(shù)為Φ21.6 mm×4200 mm，幫部錨索同樣采用“2-2-2”布置，間隔兩排錨桿打設(shè)2 根錨索，錨索間排距為1400 mm×1600 mm，錨索托盤配套采用300 mm×300 mm×16 mm 的蝶形托盤，錨索預(yù)緊力為50 kN，錨桿索間通過Φ16 mm 的鋼筋梯子梁進(jìn)行連接。

具體11-104 回風(fēng)順槽錨桿索支護(hù)參數(shù)如圖3。

圖3 11-104 回風(fēng)順槽支護(hù)布置示意圖

3.2 效果分析

11-104 回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，采用十字布點(diǎn)法進(jìn)行巷道圍巖變形量的觀測(cè)分析，巷道每間隔50 m布置一個(gè)圍巖變形量觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)均從掘進(jìn)迎頭的位置處開始布置，圍巖觀測(cè)作業(yè)持續(xù)進(jìn)行130 d，基于圍巖變形量的觀測(cè)結(jié)果得出圍巖變形曲線?，F(xiàn)取測(cè)點(diǎn)1#和5#的圍巖變形曲線圖進(jìn)行具體分析，曲線如圖4。

分析圖4 可知，巷道掘進(jìn)期間，圍巖變形可劃分為三個(gè)階段：初始階段、快速變形階段和穩(wěn)定階段。其中，巷道初始階段為巷道掘出0～10 d，該階段圍巖變形速率相對(duì)較低，但圍巖處于持續(xù)變形狀態(tài)；快速變形階段為巷道掘出11～30 d，圍巖在該階段內(nèi)變形速率較大，圍巖變形量快速增大；穩(wěn)定階段為巷道掘出30 d 后，巷道圍巖在該階段內(nèi)圍巖變形基本不再增加，圍巖變形處于穩(wěn)定狀態(tài)。巷道掘進(jìn)期間頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為76 mm 和119 mm，據(jù)此可知，回風(fēng)順槽頂幫協(xié)同支護(hù)方案有效保障了圍巖的穩(wěn)定。

圖4 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形量曲線圖

4 結(jié)論

根據(jù)11-104 回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件，通過分析復(fù)合軟弱頂板的破壞機(jī)理，提出采用頂幫協(xié)同支護(hù)技術(shù)，基于頂幫協(xié)同支護(hù)的控制思路，具體進(jìn)行巷道頂板及兩幫錨桿索支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間圍巖變形量的觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，巷道圍巖在現(xiàn)有支護(hù)方案下，圍巖變形量小，保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。