煌斑巖侵入下巷道支護(hù)技術(shù)研究

劉振華

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同037100）

0 引 言

巖漿是一種高溫?zé)霟岬恼吵頎罟杷猁}熔融體，熾熱巖漿侵入地殼一定深度后緩慢冷卻形成的巖石稱為多為煌斑巖。煤層被巖漿侵入后，原煤在高溫烘烤和侵蝕的作用下，其物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，形成含有煌斑巖、混煤和硅化煤等混合成分的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

在全煤巷道中，受煌斑巖侵入影響，頂板裂隙發(fā)育，強(qiáng)度低且易破碎，導(dǎo)致錨桿（索）的錨固能力差，容易誘發(fā)冒頂?shù)劝踩鹿省１疚囊酝l(fā)東周窯煤業(yè)受煌斑巖侵入的5100 回風(fēng)順槽為工程背景，通過室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到了現(xiàn)場煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合對現(xiàn)場巷道圍巖變形破壞特征的分析，針對性提出了支護(hù)優(yōu)化方案，有效控制了巷道的變形，為類似工程條件提供了參考。

1 工程概況

同發(fā)東周窯煤業(yè)5100 回風(fēng)順槽布置在4 號煤層，根據(jù)鄰近鉆孔資料及掘進(jìn)巷道揭露，山4 號煤層厚度為2.67～8.58 m，平均6.09 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受煌斑巖侵入的影響，含夾矸1～5 層，夾矸最大厚度1.93 m，最小厚度0.23 m，巖性多為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，次為粘土質(zhì)泥巖、泥巖。煤層傾角1°～4°，平均2.5°。

在掘進(jìn)過程中，5100 回風(fēng)順槽受煌斑巖侵入段圍巖變形嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)錨桿（索）斷裂的現(xiàn)象，極易發(fā)生冒頂事故，對礦井安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。經(jīng)分析，錨桿斷裂位置大多位于錨桿中下部，錨索斷裂位置多位于桿尾鎖具及讓壓環(huán)位置，錨桿破斷存在拉伸破斷、剪切破斷兩種情況，錨索主要表現(xiàn)為剪切破斷。為保證巷道的穩(wěn)定性，需對支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2 巷道圍巖變性破壞特征

煌斑巖侵入煤層主要有3 種形態(tài)，分別為局部煌斑巖侵入、單層煌斑巖侵入及多層煌斑巖侵入，其中單層煌斑巖侵入為東周窯煤業(yè)的主要侵入方式。單層煌斑巖侵入后，在煤層傾角較小時，侵入層會沿層面展開，在頂板上方形成一個軟弱夾層，將原本完整的煤層水平分離。巷道開挖后，受采動影響，侵入層下的淺部煤層很容易與上部巖體分離而垮落，頂板承載能力降低，若不及時控制，極易出現(xiàn)由下而上的逐層垮落破壞現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致5100 回風(fēng)順槽錨桿（索）破斷的主要原因，其破壞模式如圖1 所示。

圖1 單層煌斑巖侵入下巷道破壞模式

為獲得煌斑巖侵入范圍內(nèi)外煤巖體的真實(shí)力學(xué)強(qiáng)度，現(xiàn)場挑選大塊煤巖體，在室內(nèi)加工成標(biāo)準(zhǔn)巖石力學(xué)試件，并進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，測試結(jié)果見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1 可知，在煌斑巖侵入的影響下，原煤硅化易碎，較侵入前的原煤體，彈性模量下降了73.7%，抗拉強(qiáng)度下降了33.3%，粘聚力下降了54.2%，內(nèi)摩擦角下降了29.0%，泊松比變化量不大。由此可見，受高溫烘烤、侵蝕影響，煤體燃燒變質(zhì)，內(nèi)部裂隙發(fā)育程度大幅增加，煤體強(qiáng)度也隨之大幅度降低從而變得破碎松軟，在采掘應(yīng)力擾動的作用下，煌斑巖侵入段巷道圍巖的變形量將不斷增大。

3 巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

3.1 錨桿長度的確定

通過對現(xiàn)場巷道圍巖冒落情況的觀察發(fā)現(xiàn)，有部分錨桿存在脫落現(xiàn)象，說明由于圍巖破碎，錨桿的錨固段位于冒落高度范圍內(nèi)，或錨固段部分位于冒頂高度內(nèi)。錨桿的錨固段深度不足，未能完全錨固在具有承載能力的圍巖結(jié)構(gòu)內(nèi)，致使錨桿無法控制頂板淺部離層，并逐漸超出了錨索的承載能力，頂板沿層移動并冒落，因此出現(xiàn)了錨桿的拉伸破斷、剪切破斷及錨索的剪切破斷現(xiàn)象。

為確定出合理的錨桿長度，采用有限元數(shù)值模擬軟件ANSYS，根據(jù)4 號煤層實(shí)際的頂?shù)装逯鶢顖D建立了計算模型，將由實(shí)驗(yàn)得出的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)帶入到模型中，經(jīng)模擬計算得出圍巖摩爾庫倫安全系數(shù)S，如圖2 所示。

圖2 5100 回風(fēng)順槽圍巖穩(wěn)定性分區(qū)

根據(jù)模擬結(jié)果及摩爾庫倫安全系數(shù)，對巷道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了分區(qū)，分別為破碎區(qū)、穩(wěn)定區(qū)及安全穩(wěn)定區(qū)。

1）A、B、C 區(qū)為破碎區(qū)，其安全系數(shù)S≤1.0，根據(jù)模擬結(jié)果，巷道周圍出現(xiàn)了破碎圈，破碎的最大深度為1.3m 左右。

2）D 區(qū)為穩(wěn)定區(qū)，其安全系數(shù)S 在1.0 和1.2 之間，雖然屬于穩(wěn)定圈，但隨著時間推移，仍會發(fā)生變形，長期穩(wěn)定性較差，此區(qū)域的最大深度為1.7m 左右。

3）E 區(qū)為安全穩(wěn)定區(qū)，安全系數(shù)S 大于1.2，該區(qū)域及區(qū)域外的圍巖長期穩(wěn)定性較好，且強(qiáng)度較高。因此為了使錨桿能夠錨固在穩(wěn)固巖層中，錨桿的長度應(yīng)在2 000 mm 至2 200 mm 之間，并保證穩(wěn)固在穩(wěn)定巖層中的錨固段長度不低于700 mm。

通過上述分析，為確保錨桿錨固段全部錨固在穩(wěn)定巖層中，錨桿長度確定為2 400 mm。

3.2 錨桿預(yù)緊力的確定

錨桿的預(yù)緊力是控制頂板早期變形的關(guān)鍵作用力，可以壓實(shí)破碎區(qū)的浮煤及矸石，減小頂板拉應(yīng)力來控制離層現(xiàn)象的發(fā)生。在模擬中錨桿長度設(shè)為2 200 mm，錨桿間排距設(shè)為900 mm×920 mm，對比分析不同預(yù)緊力下頂板的穩(wěn)定狀態(tài)，以此確定出合理的錨桿預(yù)緊力。

1）錨桿預(yù)緊力為10～20 kN 時，巷道頂板的拉應(yīng)力分布范圍較大，在頂板上方0.7～1.5 m 范圍內(nèi)有幾處離層現(xiàn)象出現(xiàn)。

2）錨桿預(yù)緊力為20～30 kN 時，拉應(yīng)力范圍減小，多處離層區(qū)域閉合，但在1.5 m 深處的頂板仍然有離層發(fā)生。

3）錨桿預(yù)緊力為30～60 kN 時，拉應(yīng)力范圍進(jìn)一步縮小，頂板上方的所有離層都逐漸閉合，且頂板狀態(tài)穩(wěn)定。

通過上述模擬結(jié)果得出錨桿的最小預(yù)緊力為60 kN，考慮到現(xiàn)場實(shí)際情況復(fù)雜，確定錨桿的預(yù)緊力為100 kN。

3.3 支護(hù)方案設(shè)計

支護(hù)采用“強(qiáng)力錨桿錨索+JM梁組合支護(hù)系統(tǒng)”聯(lián)合支護(hù)。錨桿（索）均采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力材料，頂、幫錨桿采用500#/22mm，L=2 400 mm，頂錨桿排間距900 mm×920 mm，共布置6 根錨桿，靠近巷幫的錨桿與水平線成75°夾角，頂板W 型鋼帶規(guī)格為：4 900 mm×280×4 mm；幫錨桿排間距900 mm×900 mm；幫錨桿的間排距為900 mm×920 mm，采用橫縱向雙向加強(qiáng)鋼護(hù)板，規(guī)格為450 mm×280 mm×4 mm；錨索采用'鳥窩'錨索，直徑為21.8mm，L=7 300 mm，錨索梁規(guī)格為4800 mm×330 mm×6 mm，配套200 mm×220 mm×12 mm 鋼托盤，一梁四索，眼距1 400 mm，排距1 800 mm。支護(hù)方案如圖3 所示。

圖3 巷道支護(hù)方案

本支護(hù)設(shè)計采用的“鳥窩”錨索，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 '鳥窩'錨索示意圖

與普通錨索相比，'鳥窩'錨索具有以下幾個特點(diǎn)：

1）其索頭裝有保護(hù)套，可以防止錨索在運(yùn)輸或安裝過程中出現(xiàn)散股的現(xiàn)象，便于施工。

2）錨索直徑設(shè)計時比鉆孔直徑要小1～2 mm，可以使得樹脂錨固劑在索體周圍均勻分布，減少樹脂消耗量的同時提供較大的錨固力。

3）圖4 中，錨索“鳥窩”部分為中空結(jié)構(gòu)，在攪拌過程中，樹脂錨固劑進(jìn)入' 鳥窩'，使得樹脂與錨索緊密結(jié)合，進(jìn)而提高了錨索的抗拉強(qiáng)度。

4 支護(hù)效果分析

為準(zhǔn)確獲得煌斑巖侵入段巷道的支護(hù)效果，采用多點(diǎn)位移測量對巷道變形進(jìn)行檢測，每個測站按不同深度安裝4 個測點(diǎn)，分別為1.5、3.0、4.5 m 和6.0 m，頂板和做幫各安裝一套監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 巷道圍巖變形監(jiān)測曲線

由圖5 可知，從巷道開挖到圍巖變形趨于穩(wěn)定，巷道煤幫的最大變形量為43.8 mm，頂板的最大變形量為63.7 mm，采用新支護(hù)方案后，巷道圍巖的變形情況得到了控制，支護(hù)效果良好。

5 結(jié) 論

煌斑巖侵入使得煤體的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了質(zhì)的變化，強(qiáng)度大幅度降低，對巷道安全生產(chǎn)造成了影響。通過對侵入段巷道圍巖煤巖體進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，分析了巷道圍巖的變性破壞特征，同時通過數(shù)值模擬得出了合理的錨桿支護(hù)長度和預(yù)緊力，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際確定出煌斑巖侵入段巷道支護(hù)方案。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，設(shè)計的支護(hù)方案大幅度降低了巷道圍巖的變形，巷道整體穩(wěn)定性良好。