10-201回風(fēng)順槽軟弱夾層頂板及圍巖控制技術(shù)

李建忠

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司木瓜煤礦，山西 大武 033199）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦10-201 工作面位于二盤區(qū)準(zhǔn)備巷道南翼，工作面以北緊鄰二盤區(qū)三條準(zhǔn)備大巷，以南靠近礦井井田邊界，以西為實(shí)體煤，以東緊鄰井田邊界。10-201 工作面開采9#+10#煤層，其中9#煤層平均厚度為3.92 m，10#煤層平均厚度為1.35 m，9#和10#煤層間夾有0.7～1.5 m 的夾矸層，合并煤層平均傾角為8.5°。煤層基本頂巖層為灰?guī)r+泥巖+ 灰?guī)r，即頂板灰?guī)r中含有泥巖的軟弱夾層，底板巖層為粉砂巖和砂質(zhì)泥巖，具體煤層頂?shù)装鍘r層特征如表1所示。10-201 回風(fēng)順槽沿10#煤層底板掘進(jìn)，巷道掘進(jìn)寬度×高度=4.8 m×3.6 m，由于頂板巖層內(nèi)含軟弱夾層，為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，特進(jìn)行圍巖控制技術(shù)研究。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征

2 頂板軟弱夾層影響與控制對策

2.1 頂板軟弱夾層影響

為有效分析10-201 回風(fēng)順槽頂板軟弱夾層對巷道圍巖穩(wěn)定的影響，現(xiàn)采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析，基于巷道掘進(jìn)斷面為寬×高=4.8 m×3.6 m，考慮建立模型應(yīng)為巷道開挖空間的3～5 倍，確定建立模型長×寬×高=80 m×20 m×75 m，模型中設(shè)置軟弱夾層的厚度為2.0 m，距巷道表面的距離為4 m，模型上部施加等效自重荷載，模型左右側(cè)邊界作固定處理，模型底部限制其前后位移，具體數(shù)值模型及邊界條件如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

由于頂板各巖層厚度在巷道不同位置存在變化，故頂板軟弱夾層距頂板表面的位置隨著巷道位置的變化各不相同，本次數(shù)值模擬主要進(jìn)行軟弱夾層位置對巷道壓力拱厚度及內(nèi)邊界的影響進(jìn)行分析[1-2]，巷道圍巖壓力拱內(nèi)、外邊界及厚度的表示方法，巷道開挖模擬分析時(shí)，分別在巷道頂板、肩角、幫部和底板建立測線，測線設(shè)置方式及編號如圖2所示。

圖2 巷道壓力拱參數(shù)及測線布置示

根據(jù)10-201 回風(fēng)順槽的具體地質(zhì)條件，分別設(shè)置頂板軟弱夾層距巷道表面的距離為0.6 m、1.0 m、1.4 m、1.8 m、2.4 m、3.0 m、3.6 m、4.2 m、4.8 m、5.4 m 和6.0 m 進(jìn)行模擬分析，基于數(shù)值模擬結(jié)果，根據(jù)巷道開挖期間測線1—測線4 的監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠得出頂板軟弱夾層距表面距離變化時(shí)，頂板、幫部、肩部和底板壓力拱厚度及內(nèi)邊界的變化情況如圖3所示。

圖3 壓力拱厚度、內(nèi)邊界隨軟弱夾層位置變化曲線

分析圖3（a）可知，巷道頂板、肩部和幫部壓力拱的厚度隨著軟弱夾層距巷道表面距離的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。當(dāng)軟弱夾層距巷道表面為0.6 m 時(shí)，此時(shí)壓力拱厚度為3.23 m；當(dāng)軟弱夾層距巷道表面2.4 m 時(shí)，此時(shí)頂板未形成壓力拱；當(dāng)軟弱夾層為6 m 時(shí)，此時(shí)壓力拱厚度為4.42 m。從圖中可以看出，當(dāng)軟弱夾層與巷道表面間的距離大于3 m 時(shí)，此時(shí)頂板壓力拱位于頂板表面硬巖層與軟弱夾層中。

分析圖3（b）可知，頂板壓力拱內(nèi)邊界隨著軟弱夾層距巷道表面距離的增大表現(xiàn)為先增大后減小再達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，肩部壓力拱呈現(xiàn)出先減小后增大再穩(wěn)定的變化趨勢； 底板壓力拱厚度基本穩(wěn)定在2.13 m，幫部壓力拱的內(nèi)邊界呈現(xiàn)出先減小后趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。從圖中可以看出軟弱夾層距頂板表面距離大于3 m 后，此時(shí)壓力拱的內(nèi)邊界不再發(fā)生變化，基本穩(wěn)定在2.12～2.18 m的范圍內(nèi)，即隨后軟弱夾層位置的變化對巷道圍巖變形破壞的影響趨于穩(wěn)定；另外從圖中可知，當(dāng)軟弱夾層距巷道表面1.8～2.4 m 時(shí)，此時(shí)巷道圍巖中并未形成閉合壓力拱。

2.2 圍巖控制對策

根據(jù)10-201 回風(fēng)順槽的軟弱夾層的特征，結(jié)合頂板軟弱夾層位置對壓力拱厚度和內(nèi)邊界位置的數(shù)值模擬分析結(jié)果，確定巷道采用協(xié)同耦合支護(hù)設(shè)想，即通過采用技術(shù)措施，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，使巷道圍巖與支護(hù)形成共同承載整體，進(jìn)而有效提高圍巖的整體穩(wěn)定性，本次采用的協(xié)同耦合支護(hù)主要包括三個(gè)方面，如下：

（1）軟弱夾層與硬巖層間的耦合：根據(jù)眾多關(guān)于錨桿索錨固體承載性能試驗(yàn)的理論和試驗(yàn)分析可知，當(dāng)硬巖層與軟弱巖層間完全協(xié)同承載時(shí)，此時(shí)錨固體的承載能力最大，擬采用注漿等方式，提升軟弱夾層的強(qiáng)度，使其與硬巖層間充分協(xié)同耦合承載[3-6]。

（2）支護(hù)與圍巖間的耦合：支護(hù)與圍巖間的耦合是保障支護(hù)與圍巖均發(fā)揮最大的承載能力，對于強(qiáng)度較低的圍巖，通過加強(qiáng)支護(hù)保障圍巖穩(wěn)定。

（3）支護(hù)構(gòu)件間的協(xié)同耦合：提升各支護(hù)構(gòu)件間的聯(lián)系能夠使得支護(hù)效果得到有效提升[7-8]，如將錨桿索與工字鋼梁進(jìn)行協(xié)同耦合時(shí)，在錨桿發(fā)揮其支護(hù)作用時(shí)，工字鋼也會(huì)充分發(fā)揮其應(yīng)有的支護(hù)作用。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)頂板軟弱夾層影響的模擬結(jié)果及圍巖控制對策，結(jié)合回風(fēng)順槽的具體地質(zhì)條件，確定巷道采用讓壓錨桿索+ 工字鋼護(hù)表+ 關(guān)鍵部位注漿的支護(hù)方案，具體各項(xiàng)支護(hù)措施中的參數(shù)如下：

（1）讓壓錨桿索支護(hù)：巷道頂板和幫部支護(hù)時(shí)，采用左旋無縱筋高強(qiáng)度恒阻讓壓錨桿。頂板錨桿規(guī)格為Φ22 mm×3 000 mm，幫部讓壓錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2 500 mm，頂板及幫部讓壓錨桿間排距為700 mm×700 mm，錨桿錨固長度為1.2 m，預(yù)緊力矩為300 N·m；頂板錨索采用1×19 股耦合讓壓錨索，規(guī)格為Φ22 mm×6 000 mm，頂板每排布置3 根錨索，間排距為1 400 mm×1 400 mm，錨固長度為2.0 m，預(yù)緊力為150 kN，采用錨桿索托梁實(shí)現(xiàn)錨索間的聯(lián)結(jié)。

（2）工字鋼協(xié)同護(hù)表：采用礦用12#工字鋼梁進(jìn)行護(hù)表支護(hù)，工字鋼的排距為700 mm，為保障工字鋼梁棚腿穩(wěn)定，在巷道兩幫工字鋼梁腿部各增設(shè)一根錨索，錨索規(guī)格為Φ15.24 mm×6 000 mm，以充分防止工字鋼梁棚腿屈曲失穩(wěn)。

（3）關(guān)鍵部位注漿：為提升巷道圍巖的整體承載、能力，對頂板軟弱巖層區(qū)域進(jìn)行注漿加固，注漿漿液采用525#水泥漿，水灰比為0.5，注漿終孔壓力為2 MPa，注漿孔的間排距為2 000 mm×2 000 mm。

具體10-201 回風(fēng)順槽協(xié)同耦合支護(hù)方案如圖4所示。

圖4 10-201 回風(fēng)順槽支護(hù)斷面

3.2 效果分析

10-201 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監(jiān)測分析，測站設(shè)置在巷道掘進(jìn)迎頭，每間隔50 m 布置一個(gè)測站，現(xiàn)以測站Ⅰ～測站Ⅲ的圍巖變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體巷道圍巖隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

圖5 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形曲線

分析圖5可知，測站I—測站III 頂板下沉及兩幫移近變化曲線基本相同，回風(fēng)順槽在現(xiàn)有支護(hù)方案下，巷道掘出后30 d 后圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，巷道掘進(jìn)期間頂板最大下沉量為40 mm，兩幫最大移近量為64 mm，這即現(xiàn)有支護(hù)方案保障了圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

根據(jù)10-201 回風(fēng)順槽頂板軟弱夾層的特征，通過數(shù)值模擬分析軟弱夾層位置與壓力拱厚度及內(nèi)邊界位置的關(guān)系，基于圍巖特征設(shè)計(jì)巷道圍巖采用協(xié)同耦合的控制原則，確定采用讓壓錨桿索+ 工字鋼護(hù)表+關(guān)鍵部位注漿的支護(hù)方案，根據(jù)支護(hù)方案實(shí)施后的圍巖變形觀測可知，支護(hù)方案保障了巷道頂板及圍巖的穩(wěn)定。