紫晟煤業(yè)復合型軟弱頂板巖層控制技術(shù)

李大龍

（霍州煤電集團紫晟煤業(yè)有限責任公司）

礦井頂板的安全治理是安全生產(chǎn)的重要問題［1］，對于復合型頂板而言，已有不少學者進行過研究，并提出相應(yīng)的支護方案，但是對于復合型軟弱頂板巖層控制卻少見［2-4］。

1 工程概況

紫晟煤業(yè)地表地形以丘陵耕地為主，地面標高為+593～+634 m，地表無建筑物，地表蓋山厚度為430～482 m，礦井目前正在回采工作面2-105，煤層編號為2#，工作面回采期間，裂隙帶雖然有一定程度的擴大，但是影響范圍較小，對地表的影響可以忽略。

回采工作面的平均厚度為3.42m，煤層的平均傾角為10°，煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。根據(jù)表1所示的結(jié)果，頂板巖層由呈現(xiàn)層狀分布的泥巖和砂巖組成，為典型的復合型頂板。復合型頂板含有軟弱性巖層，因此頂板的穩(wěn)定性較差，需要對支護方案進行優(yōu)化，以確保后期回采工作的順利進行。

?

2 復合型軟弱頂板巖層數(shù)值模擬

對于復合型頂板（含有軟弱頂板巖層）而言，巷道圍巖的變形破壞主要以離層破壞為主，不同巖層之間的錯位移動是最常見的變形，因為不同巖層力學性質(zhì)的差異以及上覆巖層的重力作用，導致錯位移動受到一定的約束作用，造成層間力隨埋深的增加呈現(xiàn)增加的趨勢。

在巷道開挖后，圍巖原巖應(yīng)力破壞，應(yīng)力重新分布，在工作面的回采過程中，受到擾動影響，圍巖應(yīng)力會再次進行分布，這是一個持久性的過程，如果不對圍巖變形進行控制，離層失穩(wěn)將造成工作面的停產(chǎn)，甚至造成人員的傷亡。在實際工程中，考慮到監(jiān)測時間的持久性和經(jīng)濟效益，很難長時間地實現(xiàn)圍巖受力及變形狀態(tài)的監(jiān)測，因，此利用數(shù)值模擬軟件對開采擾動下巷道圍巖進行模擬，在宏觀層面得到圍巖的變形特征，根據(jù)模擬結(jié)果，可針對性地進行支護方案的設(shè)計。

本次模擬對象為與工作面采空區(qū)相鄰的回風下山和軌道下山，巷道斷面均為矩形，巷道尺寸均為5 m×4.25 m（寬×高），數(shù)值模擬采區(qū)剖面圖如圖1，2條巷道原支護方案均采用錨噴網(wǎng)支護，在回采擾動下，圍巖變形較大，因此需要進行支護方案優(yōu)化。

根據(jù)采區(qū)剖面圖和巖層頂?shù)装鍘r性，建立尺寸為100 m×50 m×100 m的模型，定義底部為固定邊界，兩邊為水平移動邊界，上表面施加的初始應(yīng)力值為10 MPa。

對軌道下山和回風下山進行數(shù)值模擬分析，得到圖2、圖3所示的結(jié)果，從圖2（a）可以看出，頂板巖層受到的水平應(yīng)力在巖層界面出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折，因此層間是容易出現(xiàn)錯動的位置；整體而言，在巖層以及煤層重力的作用下，圍巖受到的水平應(yīng)力值較小，當水平應(yīng)力值大于煤層強度時，巖層間出現(xiàn)剪切破壞，因此造成水平應(yīng)力向淺部巖層移動，模擬結(jié)果顯示水平應(yīng)力集中區(qū)域主要出現(xiàn)在砂質(zhì)泥巖的上部。從圖2（b）可以看出，復合頂板區(qū)域受到的垂直應(yīng)力值較小，巷道兩幫的應(yīng)力值也較小，在巷道兩幫1 m的位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；分析原因，復合層狀頂板在受力作用下因為軟弱巖層的存在，導致垂直應(yīng)力向巷道兩幫轉(zhuǎn)移，因此在巷道兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域（垂直應(yīng)力核）。因此可以看出，在巷道開挖后，軌道下山圍巖應(yīng)力狀態(tài)從三向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)向不平衡的二向受力狀態(tài)，復合頂板的存在導致巖層積聚的彈性能向埋深較大的區(qū)域轉(zhuǎn)移，造成了巷道兩幫的應(yīng)力集中現(xiàn)象，巷道圍巖將會產(chǎn)生嚴重變形。

回風下山數(shù)值模擬云圖與軌道下山數(shù)值模擬云圖相似，從圖3（a）可以看出，頂板砂巖層出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，因此可以得到，復合頂板中的軟弱巖層承載能力較弱，較大應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形，導致水平應(yīng)力集中向埋深較淺的穩(wěn)定巖層轉(zhuǎn)移；對于圖3（b）所示的垂直應(yīng)力云圖而言，巷道兩幫處的應(yīng)力集中區(qū)域較軌道下山有了明顯的增加，說明頂板砂質(zhì)泥巖巖層甚至煤層已經(jīng)發(fā)生破壞，彈性能的釋放致使垂直應(yīng)力集中區(qū)域增加，巷道圍巖將會產(chǎn)生嚴重變形。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，原有的支護方案圍巖穩(wěn)定性較差，巷道應(yīng)力集中區(qū)域明顯，在后期采動影響下，巷道圍巖的受力變形將會持續(xù)增加，因此需要進行補強加固，以防止圍巖的失穩(wěn)。

3 工程應(yīng)用

為了防止復合頂板離層破壞，控制巷道圍巖的變形，對軌道下山和回風下山進行加強支護方案的設(shè)計，提高支護體的承載能力，控制頂板離層量和兩幫的變形量。因為軌道下山和回風下山變形特征相似。工程應(yīng)用以回風下山為例進行討論，對軌道下山的支護不再進行贅述。

3.1 錨注支護參數(shù)

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，砂質(zhì)泥巖巖層在原有支護方案下變形嚴重，圍巖穩(wěn)定性較差，因此選用錨注支護方案，通過向泥巖巖層中注漿的方式提高泥巖巖層的強度，減少復合型巖層的離層量。因為注漿巷道的服務(wù)年限較長，注漿材料應(yīng)該選擇強度大、硬化快的材料，根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗，水灰比為0.7∶1的無機注漿材料滿足本次加強支護方案的要求，采用管長為3 m、直徑為28 mm的鋼管進行注漿，注漿孔的間排距為1.5 m×2.5 m，其中，注漿錨索的直徑為21.6 mm，長度為6 300 mm，間排距為1.4 m×1.6 m。

3.2 注漿施工范圍及工藝

實際工程中，礦井回風下山0～400 m范圍內(nèi)頂板下沉嚴重，巷道兩幫收斂量大，本次注漿施工選擇變形較大的0～100 m范圍內(nèi)進行試驗，通過注漿配合注漿錨索的方式完成聯(lián)合支護。

注漿流程：首先進行糊縫操作；然后對3 m范圍內(nèi)的巖層進行淺部注漿工藝；最后進行預應(yīng)力錨索的支護，通過錨索孔進行最終的注漿工作，完成對整個頂板巖層的注漿施工。

淺部注漿壓力維持在4 MPa，確保漿液充分擴散，注漿時鉆孔角度為7°，巷道兩幫處注漿角度控制在25°左右，確保漿液充分擴散到兩幫的松散巖層中。

注漿錨索直徑為21.6 mm，長度為6 300 mm，間排距為1.4 m×1.6 m，通過錨桿鉆機進行擴孔，待錨索和注漿管安裝完成后，進行錨索的預緊，隨后利用注漿管進行無機材料漿液，漿液注滿后完成施工。

施工完成后，在巷道頂板和兩幫處每隔10 m布置1個測點，監(jiān)測巷道圍巖的變形，通過對40 d內(nèi)10組測點進行均值的求取，得到圖4所示的圍巖變形觀測曲線，從圖4中可以看出，40 d內(nèi)巷道頂板的最大下沉量為39 mm，兩幫最大收斂量為25 mm，且在支護的監(jiān)測中，巷道圍巖變形無明顯大范圍的波動，表明支護方式起到很好的支護效果，有效控制了圍巖的變形。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)實際工程，利用數(shù)值模擬得到的結(jié)果顯示，圍巖變形嚴重。因為復合頂板中的軟弱巖層承載能力較弱，導致頂板砂巖層和巷道兩幫均出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。

（2）通過注漿配合注漿錨索的方式完成聯(lián)合支護，巷道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果顯示，頂板下沉量和兩幫收斂量均得到有效的控制。