煤礦巷道頂板錨固機(jī)理及圍巖控制技術(shù)研究

曹 偉

（山西焦煤山煤國(guó)際鋪龍灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

引言

隨著礦井采掘深度的不斷延伸，在開(kāi)采深部煤層時(shí)由于地質(zhì)構(gòu)造的影響，巖性層狀發(fā)育特征，各分層使得頂板承載能力差，受采掘擾動(dòng)影響，易產(chǎn)生離層失穩(wěn)，引發(fā)冒頂事故。錨桿和錨索是保障煤礦巷道圍巖穩(wěn)定的主要支護(hù)材料，錨索與錨桿相比可施加較大的預(yù)緊力，且可錨固到深部穩(wěn)定圍巖。礦井開(kāi)采深度增加，巷道圍巖賦存環(huán)境惡化，錨索的使用量大幅增加，甚至一些巷道采用全錨索支護(hù)，使巷道圍巖的穩(wěn)定性顯著提高[1]。隨著錨索服役時(shí)間變長(zhǎng)，所引發(fā)的頂板錨索破斷問(wèn)題頻發(fā)，造成巷道頂板變形失穩(wěn)。本文以鋪龍灣礦5102 工作面為工程背景，基于巷道頂板錨固機(jī)理，設(shè)計(jì)提出以長(zhǎng)短錨索為主導(dǎo)的多層次支護(hù)技術(shù)，有效解決巷道圍巖失穩(wěn)問(wèn)題。

1 礦井概況

鋪龍灣礦位于大同市西南部，井田面積4.86 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.2 Mt/年，主要開(kāi)采5 號(hào)、8 號(hào)煤層，5102 工作面開(kāi)采的5 號(hào)煤層平均厚度3.91 m，平均傾角為4.6°；煤層頂板以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，局部含有軟弱夾層，層理裂隙發(fā)育、分層薄且層間黏結(jié)力差，頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為一類(lèi)比較典型的層狀復(fù)合頂板。該礦井開(kāi)拓巷道為布置在煤層中的大斷面矩形巷道，掘進(jìn)寬度為5.5～5.9 m、高度為4.5 m，一般沿煤層全高掘進(jìn)。由于煤層松軟，頂板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巷道支護(hù)問(wèn)題一直是制約礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。礦井整合建井以來(lái)巷道的支護(hù)方式主要由普通的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)升級(jí)為高預(yù)應(yīng)力全錨索支護(hù)，巷道頂板穩(wěn)定性顯著提高。但是隨著采掘深度和巷道服務(wù)時(shí)間的延長(zhǎng)，局部區(qū)域圍巖變形嚴(yán)重，單一層次的頂板錨索破斷率高，引發(fā)的巷道圍巖穩(wěn)定控制問(wèn)題嚴(yán)峻。

2 巷道頂板錨索受力分析

2.1 數(shù)值模型

采用FLAC3D 數(shù)值軟件研究頂板不同區(qū)域內(nèi)錨索的真實(shí)受力特征。建立的數(shù)值模型尺寸為40 m×1 m×25 m，模擬的巷道寬度為5.5 m、高度為4.5 m、埋深為600 m，施加的側(cè)壓系數(shù)為1.2。在巷道頂板2.5 m 范圍內(nèi)通過(guò)設(shè)置interface 單元模擬層理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)頂板條件，分層厚度分別設(shè)置為0.2 m、0.3 m、0.4 m。采用fish 語(yǔ)言，改進(jìn)數(shù)值軟件中的pile 單元模擬錨索，使其可以同時(shí)反映錨索的軸向拉伸荷載和橫向剪切荷載。在巷道頂板中布置一排錨索共6 根，間距為1.0 m，錨索的長(zhǎng)度為7.4 m，每根錨索設(shè)置74 個(gè)結(jié)構(gòu)單元，錨固長(zhǎng)度為1.5 m。

由于巷道頂板錨索布置具有對(duì)稱(chēng)性，處于對(duì)稱(chēng)位置的錨索受力差別不大，取其中靠近巷道一側(cè)的3 根錨索進(jìn)行受力分析，從巷道肩角開(kāi)始分別標(biāo)為1 號(hào)、2號(hào)和3 號(hào)錨索。建立的數(shù)值模型如圖1 所示，巷道頂板巖層參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 巷道數(shù)值模型（單位：m）

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

2.2 頂板錨索真實(shí)受力特征

在建立的數(shù)值模型中，研究無(wú)支護(hù)和錨索預(yù)緊力分別為50 kN、100 kN、150 kN 時(shí)，巷道頂板的變形特征與錨索受力的差異性。

2.2.1 巷道頂板變形

通過(guò)對(duì)無(wú)支護(hù)和錨索不同預(yù)緊力下頂板的豎向下沉變形結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析可知，頂板的整體變形以撓曲下沉為主，頂板的豎向位移越靠近中部下沉量越大，越靠近兩幫下沉量越??；在無(wú)支護(hù)下頂板出現(xiàn)較為顯著的離層現(xiàn)象和撓曲變形，最大下沉量為628 mm；安設(shè)不同預(yù)緊力的錨索后，頂板下沉變形得到有效控制，離層現(xiàn)象消除；隨著錨索預(yù)緊力的提高，頂板變形量逐漸減小，對(duì)圍巖的控制效果逐漸增大。

2.2.2 錨索橫向剪力

通過(guò)對(duì)不同條件下錨索的橫向受力情況監(jiān)測(cè)分析可知，頂板2.5 m 范圍內(nèi)錨索受到的橫向剪力較為顯著，剪力峰值集中在頂板深度0.5～2.0 m 范圍，頂板深度大于2.5 m 后，錨索基本不受橫向剪力的影響。在同一預(yù)緊力下，頂板錨索越靠近巷幫其剪力越大，而越靠近中部其剪力越小，頂板錨索的橫向剪力分布特征與軸向拉力正好相反。提高錨索預(yù)緊力后，不同位置錨索的剪力峰值的差異性逐漸縮小，巷道肩角兩根錨索受預(yù)緊力的影響更大，剪力峰值差異度由原來(lái)的10%減小為4%，受力趨于均勻。結(jié)合巷道變形特征可知，頂板下沉過(guò)程中不僅有豎向的撓曲變形，還有橫向的層間剪切錯(cuò)動(dòng)，中部區(qū)域雖然撓曲變形最大，但其層間剪切錯(cuò)動(dòng)不顯著；而越靠近巷幫其層間錯(cuò)動(dòng)越劇烈，導(dǎo)致錨索的剪力增大。錨索預(yù)緊力提高后，頂板整體位移量減小，靠近巷幫頂板的剪切錯(cuò)動(dòng)也較為緩和，使錨索的橫向剪切受力趨于均勻。頂板錨索越靠近中部其拉伸荷載越大，而越靠近幫部其剪切荷載越顯著；提高錨索的預(yù)緊力可有效控制頂板變形，有利于頂板穩(wěn)定，減少錨索有害受力，降低錨索破斷率，提高整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。

3 巷道頂板支護(hù)方案

試驗(yàn)巷道為5102 工作面運(yùn)輸大巷，埋深約為450 m，沿煤層全高掘進(jìn)，巷道的高度為4.50 m、寬度為5.50 m。為了降低錨索破斷率，有效控制極易離層的復(fù)合頂板，基于頂板錨索分區(qū)域錨固機(jī)理和長(zhǎng)短錨索的支護(hù)效應(yīng)，采用多層次支護(hù)技術(shù)進(jìn)行頂板控制，同時(shí)保證煤幫的支護(hù)強(qiáng)度。具體支護(hù)參數(shù)如下。

3.1 頂板支護(hù)

頂板采用長(zhǎng)短錨索、長(zhǎng)錨桿和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，形成3 個(gè)支護(hù)層次。金屬網(wǎng)由Φ6.5 mm 的鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。長(zhǎng)錨桿為高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，直徑為22 mm、長(zhǎng)度為3.2 m，間排距為1 000 mm、1 200 mm，錨固長(zhǎng)度為1 675 mm，施加預(yù)緊轉(zhuǎn)矩不小于400 N·m。長(zhǎng)短錨索均為1×19 股，直徑為21.8 mm 的強(qiáng)力鋼絞線(xiàn)，短錨索的長(zhǎng)度為5.4 m，長(zhǎng)錨索長(zhǎng)度為7.4 m，其中短錨索每排4 根，間排距為1 500 mm、2 400 mm；長(zhǎng)錨索每排3根，間排距為1 500 mm、2 400 mm；長(zhǎng)短錨索的錨固長(zhǎng)度均為1 970 mm，施加預(yù)緊力不小于250 kN。

3.2 兩幫支護(hù)

煤幫采用短錨索、錨桿和金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，金屬網(wǎng)由Φ6.5 mm 的鋼筋焊接而成，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。煤幫的頂?shù)捉菫楦邚?qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，其余部位為強(qiáng)力短錨索。其中錨桿的直徑為22 mm、長(zhǎng)度為2.8 m，排距為1 200 mm，頂角錨桿距頂板300 mm，底角錨桿距底板400 mm，頂?shù)捉清^桿與水平方向有10°的偏角，錨固長(zhǎng)度為1 675 mm，預(yù)緊力矩不小于400 N·m。錨索為1×19 股，直徑為21.8 mm 的強(qiáng)力鋼絞線(xiàn)，長(zhǎng)度為5.4 m，間排距為950 mm、1 200 mm，錨固長(zhǎng)度為1 970 mm，預(yù)緊力不小于150 kN。以上施工工序完成后，及時(shí)對(duì)頂幫噴射厚度為150 mm 的混凝土層密閉圍巖。巷道支護(hù)方案示意圖如圖2 所示。

圖2 支護(hù)方案示意圖（單位：mm）

4 支護(hù)效果分析

鋪龍灣礦在巷道掘進(jìn)支護(hù)完成后，布置3 個(gè)測(cè)站進(jìn)行為期90 d 的礦壓監(jiān)測(cè)，主要包括巷道表面位移和錨桿錨索受力。通過(guò)對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，可得巷道表面位移曲線(xiàn)，如圖3 所示。

圖3 巷道頂板移近量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

其中每個(gè)測(cè)站內(nèi)錨桿和錨索的受力情況類(lèi)似，以其中一個(gè)測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。從巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，3 個(gè)測(cè)站內(nèi)頂板最大下沉量為72 mm。另分析可知，兩幫最大移近量為145 mm。巷道表面位移較小，兩幫移近量不大，整體穩(wěn)定性較好。從錨桿錨索受力變化趨勢(shì)來(lái)看，錨桿錨索受力同步上升，說(shuō)明錨桿錨索起到了協(xié)同承載作用；錨桿和錨索在服務(wù)期間受力增加平緩且變化不大，這說(shuō)明錨桿錨索有效控制了圍巖的非連續(xù)大變形，尤其是錨固區(qū)內(nèi)圍巖的初期離層、剪切滑動(dòng)以及內(nèi)部裂隙張開(kāi)與貫通等得到控制，圍巖整體變形小，有利于發(fā)揮圍巖自身的承載能力。巷道掘進(jìn)完成后，進(jìn)行井下調(diào)研發(fā)現(xiàn)，頂板穩(wěn)定程度較高，未發(fā)現(xiàn)錨索破斷現(xiàn)象。綜合以上分析可知，基于頂板錨索分區(qū)錨固機(jī)理，采用以長(zhǎng)短錨索為主導(dǎo)的多層次支護(hù)技術(shù)，可有效解決錨索破斷問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦巷道層狀復(fù)合頂板的穩(wěn)定控制。

5 結(jié)論

1）煤礦巷道頂板下沉過(guò)程中，錨索同時(shí)承受軸向拉伸荷載和橫向剪切荷載，且具有區(qū)域性受力的差異性，頂板錨索越靠近中部其拉伸荷載越大，而越靠近幫部其剪切荷載越顯著；提高錨索的預(yù)緊力可有效控制頂板變形。

2）可使圍巖的主動(dòng)支護(hù)范圍擴(kuò)大，而短錨索對(duì)其中部圍巖的支護(hù)剛度優(yōu)于長(zhǎng)錨索。分層搭配設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)巷道頂板的分區(qū)錨固。

3）提出以長(zhǎng)短錨索為主導(dǎo)，結(jié)合強(qiáng)力長(zhǎng)錨桿的多層次頂板支護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)的有效疊加，保證頂板巖梁的連續(xù)性，抑制巷道頂角破壞，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，有效控制巷道失穩(wěn)。