厚頂煤夾矸頂板下巷道復(fù)合支護(hù)技術(shù)研究

秦志宏，程 詳，孟祥瑞，趙光明，紀(jì)寶柱

(1.安徽理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué) 地質(zhì)資源與地質(zhì)工程博士后流動(dòng)站，安徽 淮南 232001；4.淮北礦業(yè)股份有限公司 博士后科研工作站，安徽 淮北 235000；5.安徽亳州煤業(yè)有限公司 信湖煤礦，安徽 亳州 233600)

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量中，厚煤層資源儲(chǔ)量占比高，分布廣泛。隨著厚煤層開采技術(shù)的成熟與普及，礦井沿煤層底板掘進(jìn)留頂煤的巷道逐漸增多，采區(qū)厚頂煤夾矸頂板下回采巷道的支護(hù)難題也愈發(fā)突出[1，2]。厚煤層是我國(guó)煤層開采的主要煤層之一，保障采區(qū)回采巷道的安全穩(wěn)定對(duì)于厚煤層的安全高效開采具有重要意義[3，4]。相比于普通回采巷道，夾矸厚頂煤頂板下巷道支護(hù)面臨著頂板巖層強(qiáng)度低、易破碎、圍巖變形量大等難題。

圍繞厚頂煤夾矸頂板下巷道支護(hù)難題，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。張金魁[5]運(yùn)用FLAC3D軟件模擬對(duì)比了多個(gè)錨桿(索)聯(lián)合支護(hù)方案，形成了深部厚頂煤巷道支護(hù)方案；張京民[6]對(duì)采空區(qū)下特厚煤層回采巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出了“錨索網(wǎng)+鋼筋梯”聯(lián)合支護(hù)方式；何富連等[7-9]通過力學(xué)分析等研究提出了“交叉邁步式”聯(lián)合控制技術(shù)；單仁亮等[10，11]發(fā)現(xiàn)錨桿、索協(xié)同支護(hù)可以最大化支護(hù)構(gòu)件作用，提升圍巖自身承載能力，有效控制巷道圍巖變形；王博等[12]利用FLAC3D對(duì)大跨度全煤巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出了適合大跨度矩形巷道的錨網(wǎng)錨索支護(hù)技術(shù)；蘭奕文等[13]研究分析特厚煤層強(qiáng)采動(dòng)影響下巷道變形特征，提出了全錨索控制系統(tǒng)；徐祝賀等[14，15]利用FLAC3D模擬軟件分析了厚煤層煤巷圍巖穩(wěn)定的影響因素，提出了“兩級(jí)支護(hù)結(jié)構(gòu)體”控制技術(shù)；肖丹等[16]綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，RFPA數(shù)值模擬分析巖性對(duì)頂板離層的影響后提出高預(yù)應(yīng)力錨索桁架系統(tǒng)可以有效控制巷道頂板；李亮[17]研究不同尺寸巷道位移及圍巖塑性區(qū)后提出“錨桿+錨索+液壓抬棚”為“三軟”厚頂煤回采巷道擴(kuò)巷方案。

眾多學(xué)者在厚頂煤下巷道支護(hù)技術(shù)成果多集中在錨桿索及桁架支護(hù)方面，對(duì)“三心拱”U型棚復(fù)合支護(hù)技術(shù)研究較少?；诖?，本文以信湖煤礦81采區(qū)818工作面運(yùn)輸巷厚頂煤夾矸頂板下巷道支護(hù)為背景，提出“三心拱U型鋼棚+錨索梁+鎖腿梁”復(fù)合支護(hù)方案，并采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行效果評(píng)價(jià)。

1 工程背景

信湖礦818運(yùn)輸巷布設(shè)于81采區(qū)，該區(qū)域8煤組分81煤與82煤兩層，其中81煤層厚平均3.83m，82煤層厚平均2.84m；81煤與82煤之間的夾矸較為穩(wěn)定，巖性以泥巖為主，次為粉砂巖，厚度0.99～2.01m，平均厚度1.45m。

818運(yùn)輸巷布設(shè)于81采區(qū)82煤層中，跟82煤頂板掘進(jìn)，拱形斷面，寬5.3m，高3m，巷道標(biāo)高-905.5～-943.9m，煤層傾角12°～17°，平均14°，走向長(zhǎng)900m。818運(yùn)輸巷的直接頂和直接底均為泥巖，頂板泥巖厚度為2.6m，底板泥巖厚度為7.73m，老頂和老底均為細(xì)砂巖，老頂細(xì)砂巖厚度為19.6m，老底細(xì)砂巖厚度為2.1m。巷道頂?shù)装鍘r層情況如圖1所示。

圖1 818運(yùn)輸巷頂?shù)装迕簬r層綜合柱狀圖

2 “三心拱U型鋼棚+錨索梁+鎖腿梁”復(fù)合支護(hù)方案

2.1 圍巖力學(xué)參數(shù)測(cè)定

為對(duì)818運(yùn)輸巷原始支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)818運(yùn)輸巷圍巖樣品的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，8煤圍巖樣品力學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果見表1。分析818運(yùn)輸巷頂板81煤及夾矸巖樣的巖石力學(xué)特性發(fā)現(xiàn)：818運(yùn)輸巷頂板煤巖層強(qiáng)度較弱，在巷道支護(hù)過程中無法為錨桿和錨索提供足夠的錨固力，致使818運(yùn)輸巷原始支護(hù)方案中錨桿索失效，支護(hù)效果較差。

表1 818運(yùn)輸巷圍巖力學(xué)參數(shù)表

2.2 圍巖松動(dòng)圈測(cè)試

在818運(yùn)輸巷內(nèi)布設(shè)地質(zhì)雷達(dá)和多點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行巷道圍巖松動(dòng)圈測(cè)試。地質(zhì)雷達(dá)和多點(diǎn)位移計(jì)的測(cè)試結(jié)果，如圖2、圖3所示。分析地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機(jī)巷底板在1.27～2.16m范圍內(nèi)電磁波反射強(qiáng)烈，證明此處出現(xiàn)連續(xù)的底板分層，在此下方無大范圍波動(dòng)，說明圍巖相對(duì)完整。分析多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)位移計(jì)的6個(gè)基點(diǎn)都有不同程度的非線性位移特征，可以看出圍巖基點(diǎn)在2～2.5m范圍內(nèi)部位移增量最大，可以判斷圍巖松動(dòng)圈范圍為2～2.5m，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果判斷818運(yùn)輸巷掘巷后圍巖松動(dòng)圈發(fā)育平均范圍為2.1m。

圖2 818運(yùn)輸巷底板地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試

圖3 818運(yùn)輸巷多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.3 支護(hù)方案參數(shù)優(yōu)化

結(jié)合前文測(cè)定的818運(yùn)輸巷圍巖力學(xué)參數(shù)、圍巖松動(dòng)圈數(shù)據(jù)、巷道地層情況與原始支護(hù)方案，對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。818運(yùn)輸巷標(biāo)高-905.5～-943.9m，井深大，應(yīng)力高，圍巖強(qiáng)度低，采用單一支護(hù)手段無法滿足巷道安全性和穩(wěn)定性的要求，因此采用復(fù)合支護(hù)技術(shù)。

2.3.1 “三心拱”U型棚支護(hù)優(yōu)化

818運(yùn)輸巷支護(hù)采用“三心拱”U型棚支護(hù)，U型鋼支架力學(xué)模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且受對(duì)稱載荷作用，為得到基本靜定系，可以沿中心點(diǎn)截面將剛架切開，在對(duì)稱截面上，反對(duì)稱內(nèi)力為零，即剪力為零。采用力法原理對(duì)“三心拱”U型棚危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，為錨索梁的布置方式提供理論依據(jù)。

計(jì)算可知，“三心拱”U型棚存在AB、BC和CD三個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域。其中，AB段斜長(zhǎng)L1=2221mm，計(jì)算可得在斜長(zhǎng)X1=1092.1mm處為AB段的危險(xiǎn)點(diǎn)E，垂直距離為h1=1081.47mm；其次BC段角度約為θ=82°，在θ=82°處為BC段的危險(xiǎn)點(diǎn)；“三心拱”U型棚頂梁CD段長(zhǎng)1550mm，其危險(xiǎn)點(diǎn)在D點(diǎn)，垂直高度H=3000mm，具體如圖4所示。

圖4 “三心拱”U型棚危險(xiǎn)點(diǎn)示意圖

圖4中，q1為橫向均布載荷，取25.9MPa；q2為縱向均布載荷，取21.6MPa；FAy為支A點(diǎn)在縱向所受力；FB為D點(diǎn)的橫向受力；R為BC段弧半徑，mm；H為U型梁高；l1為AB斜長(zhǎng)。

鑒于“三心拱”U型棚在幫部存在個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)，頂部存在三個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)，設(shè)計(jì)在距底板0.6m，1.5m處分別設(shè)置一道鎖腿梁，每根梁使用1根錨桿固定，鎖腿梁沿巷道走向方向成“品”字形布置。為對(duì)“三心拱”頂部中心危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行加固，擬在中心點(diǎn)兩側(cè)0.4m、1.2m處分別安裝一根錨索梁。

2.3.2 錨桿參數(shù)優(yōu)化

針對(duì)818運(yùn)輸巷錨桿錨索錨固強(qiáng)度不夠，對(duì)錨桿錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)錨桿采用錨固方式為加長(zhǎng)錨固，并針對(duì)錨桿長(zhǎng)度采取以下公式進(jìn)行計(jì)算：

L=L1+D+L2

(1)

式中，L為錨桿長(zhǎng)度；L1為錨桿外露(煤巖體)長(zhǎng)度，取0.05m；L2為錨桿伸入松動(dòng)圈外的長(zhǎng)度，取0.4m；D為圍巖的松動(dòng)圈，取D=2.1m。

將數(shù)值代入上式得到錨桿的長(zhǎng)度為2.55m，考慮鉆孔、錨桿打按角度等因素，頂板設(shè)計(jì)的錨桿長(zhǎng)度選取2.6m。

針對(duì)錨桿桿體承載能力和錨固力等強(qiáng)度原則確定錨桿直徑，計(jì)算公式如下[18]：

式中，d為錨桿桿體直徑，mm；Q為設(shè)計(jì)錨固力，由拉拔試驗(yàn)確定，一般為80～120kN；σmg為桿體材料抗拉強(qiáng)度，取335MPa。

帶入公式計(jì)算得錨桿直徑為：17.4～21.3mm。

跟據(jù)公式：

D≤2R0(L-t)/(2R0+L)

(3)

式中，R0為巷道開挖半徑，取2.5m；t為壓縮帶厚度，取1.3m；L為錨桿長(zhǎng)度，2.6m。

根據(jù)公式計(jì)算確定錨桿間排距為800mm×700mm。

2.3.3 錨索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

錨索長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

L=L1+L2+L3

(4)

式中，L1為外露長(zhǎng)度；取250mm；L2為頂板夾矸及81煤平均厚度；取4980mm；L3為錨索伸入錨固區(qū)長(zhǎng)度，且根據(jù)頂板巖性情況，確保錨索生根在穩(wěn)定巖層中不小于2m。

根據(jù)式(4)計(jì)算，錨索的最低長(zhǎng)度取值為7.3m。

設(shè)計(jì)方案采用36U型鋼三心拱直腿可伸縮性支架，頂梁長(zhǎng)4254mm，腿長(zhǎng)3284mm，壓茬處采用兩副限位卡纜固定，棚距700mm；頂部距巷道中心兩側(cè)400mm，1200mm處各布設(shè)一根錨桿，在肩窩兩副限位卡中間位置布設(shè)一根錨桿，向下間距(斜距)600mm再布設(shè)一根，錨桿規(guī)格?22mm×2600mm，排距700mm；距巷中兩側(cè)400mm，1000mm處分別布設(shè)一根錨索，錨索型號(hào)YMS21.8/7300/8300/9300/10300mm，排距700mm。

頂部布設(shè)兩根錨索梁，第一棚分中300mm各布置一根，第二棚分中1200mm各布置一根，按此布置方式循環(huán)布置，利用頂板錨索固定，距底板0.6m、1.5m位置的兩側(cè)棚腿各布設(shè)一道鎖腿梁，沿巷道走向方向成“品”字形布置，鎖腿梁采用1根錨桿固定(在棚檔施工)，排距為700mm，鎖梁規(guī)格為同型號(hào)U型鋼，長(zhǎng)度950mm。

圖5 818運(yùn)輸巷支護(hù)方案(mm)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為研究“三心拱U型鋼棚+錨索梁+鎖腿梁”復(fù)合支護(hù)方案對(duì)厚頂煤夾矸頂板巷道的支護(hù)效果，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)“三心拱U型鋼棚+錨索梁+鎖腿梁”復(fù)合支護(hù)方案進(jìn)行模擬研究，分析復(fù)合支護(hù)下818運(yùn)輸巷巷道圍巖及支護(hù)構(gòu)件的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)特征，從數(shù)值分析角度驗(yàn)證“三心拱U型鋼棚+錨索梁+鎖腿梁”復(fù)合支護(hù)方案的合理性。

結(jié)合信湖煤礦818運(yùn)輸巷實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)值模型建立，數(shù)值計(jì)算模型以巷道軸線方向(掘進(jìn)方向)為Y軸，垂直于巷道的軸向方向?yàn)閄軸，鉛直方向?yàn)閆軸，向上為正。模型尺寸為X×Y×Z=60m×150m×83m，分別對(duì)模型側(cè)向位移和底部垂直位移進(jìn)行約束，上端面自重應(yīng)力21.625MPa，模型計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。利用FLAC3D程序內(nèi)嵌的結(jié)構(gòu)單元模擬各種支護(hù)構(gòu)件：應(yīng)用Beam結(jié)構(gòu)單元模擬“三心拱”U型棚；應(yīng)用Cable結(jié)構(gòu)單元模擬錨桿和錨索，并按照作業(yè)規(guī)程規(guī)定，施加預(yù)應(yīng)力；具體支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖6所示，模型物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)

圖6 818運(yùn)輸巷支護(hù)模型

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

無支護(hù)及復(fù)合支護(hù)方案下巷道圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及塑性區(qū)如圖7—圖9所示。

圖7 無支護(hù)與復(fù)合支護(hù)方案下巷道位移

圖8 無支護(hù)復(fù)合支護(hù)方案下巷道應(yīng)力

圖9 無支護(hù)復(fù)合支護(hù)方案下巷道塑性區(qū)

分析無支護(hù)與復(fù)合支護(hù)下巷道位移云圖可以發(fā)現(xiàn)：無支護(hù)情況下巷道頂板移近量最大為91.98mm，復(fù)合支護(hù)后頂板移近量最大為69.67mm，降低比例為24.25%。分析巷應(yīng)力移云圖可以發(fā)現(xiàn)：無支護(hù)情況下巷道幫部最高應(yīng)力達(dá)到32.56MPa，復(fù)合支護(hù)后巷道圍巖應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，圍巖應(yīng)力集中減小，圍巖垂直應(yīng)力最大降幅達(dá)到18.75%。分析巷道圍巖塑性區(qū)云圖可以發(fā)現(xiàn)：無支護(hù)情況下，巷道頂板及幫部圍巖多數(shù)處于剪切破壞狀態(tài)，復(fù)合支護(hù)后，巷道圍巖破壞狀態(tài)有了明顯改善。

綜上，“三心拱U型鋼棚+錨索梁+鎖腿梁”復(fù)合支護(hù)方案改善了818運(yùn)輸巷圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，有利于維護(hù)巷道穩(wěn)定性。從數(shù)值分析角度驗(yàn)證了支護(hù)方案的有效性。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

818運(yùn)輸巷現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行“三心拱U型鋼棚+錨索梁+鎖腿梁”復(fù)合支護(hù)后，布置表面位移觀測(cè)站觀測(cè)巷道表面位移，機(jī)械式液壓枕與在線礦壓儀器監(jiān)測(cè)錨桿/索受力情況。巷道表面位移和錨索受力檢測(cè)結(jié)果，如圖10、圖11所示。

圖10 巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖11 巷道錨索受力監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明在“三心拱U型鋼棚+錨索梁+鎖腿梁”復(fù)合支護(hù)后巷道位移變形特征表現(xiàn)為：

1)巷道開挖初期礦壓顯現(xiàn)明顯，頂板和兩幫最大移近速度最分別為5mm/d、13.9mm/d，頂板下沉量最大為60mm，兩幫移近量最大值為220mm。20d后巷道圍巖趨于穩(wěn)定。

2)在巷道掘進(jìn)初期2～20d內(nèi)，錨索的壓力值變化迅速，隨后錨索軸力逐步趨于穩(wěn)定，錨索軸力值趨于穩(wěn)定。錨桿索受力檢測(cè)結(jié)果特征表現(xiàn)為：初期快速上升后逐漸趨于穩(wěn)定。1、2號(hào)測(cè)站錨索的穩(wěn)定支護(hù)載荷分別為305kN、332kN，達(dá)到錨索破斷載荷的52.3%、56.9%，支護(hù)安全儲(chǔ)備充足，可以滿足支護(hù)要求。

5 結(jié) 論

1)通過理論分析，分析了“三心拱”U型棚受力危險(xiǎn)點(diǎn)、優(yōu)化了支護(hù)結(jié)構(gòu)中的錨索梁生根層位、布設(shè)位置、滯后迎頭的距離，確定了厚煤體夾矸頂板圍巖“三心拱U型鋼棚+錨索梁+鎖腿梁”復(fù)合支護(hù)方案的合理參數(shù)。

2)通過FLAC3D數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐對(duì)優(yōu)化后的“三心拱U型鋼棚+錨索梁+鎖腿梁”復(fù)合支護(hù)方案進(jìn)行了效果評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)表明：采用優(yōu)化方案后，巷道頂板最大移近量為69.6mm，圍巖控制良好，錨索穩(wěn)定支護(hù)載荷為其破斷載荷的56.9%，支護(hù)儲(chǔ)備充足，巷道頂板移近量及圍巖應(yīng)力集中程度均有所減小，巷道變形得到控制，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。