深部軟弱破碎復(fù)合頂板煤巷穩(wěn)定控制技術(shù)研究

路志宏

（汾西礦業(yè)集團(tuán)賀西煤礦，山西 柳林 033300）

如今，煤炭開(kāi)采深度和強(qiáng)度都在不斷增大，使巷道圍巖松軟或破碎程度日益嚴(yán)重，支護(hù)結(jié)構(gòu)破斷失效問(wèn)題大量增加，導(dǎo)致深部煤巷支護(hù)和維護(hù)難度顯著提高。因受到地質(zhì)條件等外部因素的影響，我國(guó)大部分礦區(qū)煤層都屬于層狀復(fù)合頂板，具有裂隙發(fā)育和層間黏結(jié)力不足的特點(diǎn)，在巷道開(kāi)挖完成后極易產(chǎn)生離層破壞，尤其是軟弱破碎復(fù)合頂板，因其強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，加之松軟巖層實(shí)際厚度較大，容易發(fā)生垮落，給支護(hù)設(shè)計(jì)與施工都提出了極高要求。因此，必須對(duì)深部軟弱破碎復(fù)合頂板煤巷支護(hù)引起足夠的重視，以此結(jié)合某工作面實(shí)際情況，對(duì)其此類(lèi)煤巷的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行深入分析。

1 支護(hù)技術(shù)方案

1.1 方案1：錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)

錨桿為高強(qiáng)度螺紋鋼，其規(guī)格尺寸為Φ22 mm×2 800 mm，設(shè)置間距和排距相同，均為800 mm；錨索為低松弛預(yù)應(yīng)力錨索，其規(guī)格尺寸為Φ22 mm×6 300 mm，設(shè)置間距和排距分別為1 200 mm、800 mm，在每排錨桿的中部進(jìn)行間隔布置。對(duì)于同一排的錨桿，需使用鋼帶相連，具體為M5 鋼帶；而錨索之間主要利用礦用工字鋼相連[1]。

1.2 方案2：錨索與單體液壓支架強(qiáng)力支護(hù)

頂部錨索為低松弛預(yù)應(yīng)力錨索，其規(guī)格尺寸為Φ22 mm×6 300 mm，設(shè)置間距和排距分別為1 200 mm、500 mm；幫部錨桿為高強(qiáng)螺紋鋼，其規(guī)格尺寸為Φ22 mm×2 800 mm，設(shè)置間距和排距分別為700 mm、500 mm，兩幫與頂板相距200 mm 的位置，其錨桿應(yīng)向上傾斜30°。對(duì)于幫部錨桿，主要使用鋼帶相連，具體為M5 鋼帶；對(duì)于頂板錨索，主要使用礦用工字鋼相連。此外，在與兩側(cè)幫部相距300 mm 的位置分別按照500 mm 的排距設(shè)置單體液壓支柱[2]。

1.3 方案3：以梁-拱錨固結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的深部軟弱破碎復(fù)合頂板矩形斷面煤巷支護(hù)

錨桿為高強(qiáng)螺紋鋼，其規(guī)格尺寸為Φ22 mm×2 800 mm，設(shè)置間距與排距相同，均為700 mm；錨索為低松弛預(yù)應(yīng)力錨索，其規(guī)格尺寸為Φ22 mm×6 300 mm，設(shè)置間距與排距分別為1 200 mm、700 mm，在各排錨桿中部進(jìn)行間隔布置。對(duì)于同一排錨桿，主要使用鋼帶相連，具體為M5 鋼帶；而錨索主要利用礦用工字鋼相連。

1.4 方案4：以梁-拱錨固結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的深部軟弱破碎復(fù)合頂板矩形斷面煤巷優(yōu)化支護(hù)

1）根據(jù)錨固結(jié)構(gòu)整體幾何條件，對(duì)于頂板錨索，按不等長(zhǎng)方式進(jìn)行布置，其排距按照1 400 mm 控制，1#錨索長(zhǎng)5 300 mm，按照720 mm 的間隔距離布置，在豎直方向上預(yù)留18°的夾角；2#錨索長(zhǎng)4 500 mm，按照與1#間隔880 mm 的距離布置，在數(shù)值方向上預(yù)留36°的夾角[3]。

錨桿為高強(qiáng)螺紋鋼，其規(guī)格尺寸為Φ22 mm×2 800 mm，設(shè)置間距與排距相同，均為700 mm。在此基礎(chǔ)上采用樹(shù)脂藥卷實(shí)施增強(qiáng)錨固，使錨固長(zhǎng)度達(dá)到1 000 mm 以上，確保錨固力達(dá)到120 kN 以上，同時(shí)使預(yù)應(yīng)力達(dá)到80 kN 以上；托盤(pán)應(yīng)為高強(qiáng)度托盤(pán)，其規(guī)格尺寸為150 mm×150 mm×12 mm。采用M5 鋼帶作為錨桿鋼筋托梁，采用12#槽鋼作為錨索托梁。鋼筋網(wǎng)的焊接使用Φ8 mm 螺紋鋼進(jìn)行，其網(wǎng)孔規(guī)格尺寸為100 mm。

2）在兩排長(zhǎng)度不同的錨索之間通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)置為巷道頂板提供加強(qiáng)支護(hù)，預(yù)應(yīng)力錨索的規(guī)格尺寸為Φ22 mm×6 300 mm，均勻布置在頂板處，共3 根，其設(shè)置間距與排距相同，均為1 400 mm；在此基礎(chǔ)上借助數(shù)值藥卷進(jìn)行錨固，使錨固長(zhǎng)度達(dá)到1 500 mm 以上，保證預(yù)應(yīng)力達(dá)到150 kN 以上；另外設(shè)置規(guī)格尺寸為300 mm×300 mm×16 mm 的可調(diào)心式高強(qiáng)度托盤(pán)[4]。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值建模

模擬區(qū)長(zhǎng)度、寬度與高度相同，均為60 m。此次數(shù)值計(jì)算在以下邊界條件下進(jìn)行：對(duì)模型底部產(chǎn)生的位移進(jìn)行限制，以地應(yīng)力實(shí)際檢測(cè)結(jié)果為依據(jù)施加水平和垂直方向應(yīng)力，如表1 所示。煤層與頂?shù)装鍘r石參數(shù)，如表2 所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)，如表3 所示。結(jié)合相關(guān)破壞準(zhǔn)則，確定不同支護(hù)方案對(duì)應(yīng)的圍巖變形規(guī)律及塑性區(qū)演化遵循的規(guī)律[5]。

表1 地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果

表2 煤層與頂?shù)装鍘r石參數(shù)

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果與分析

為了能直觀反映出不同方案具有的控制效果，確定支護(hù)方案是否合理有效，得出如表4 所示的不同支護(hù)方案條件下巷道圍巖塑性區(qū)深度與位移。

表4 不同支護(hù)方案條件下巷道圍巖塑性區(qū)深度與位移

從模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)沒(méi)有采用任何支護(hù)措施時(shí)，圍巖頂板產(chǎn)生了352.89 mm 的下沉，底板產(chǎn)生了266.49 mm 的底臌，兩幫向內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了307.22 mm 的擠壓；頂、底板與幫部塑性區(qū)實(shí)際深度分別為3.37、3.54、2.86 m。伴隨支護(hù)強(qiáng)度不斷增大，不論圍巖位移或塑性區(qū)實(shí)際損傷范圍均開(kāi)始減小，在條件允許的情況建議選擇方案3；盡管采用方案4 可以對(duì)頂板離層和大變形進(jìn)行有效控制，但所需成本相對(duì)較高，施工工序也較為復(fù)雜，可作為備選方案。采用方案3 后，圍巖頂板實(shí)際下沉量從352.89 mm 減小至105.45 mm，底板底臌量從266.49 mm 減小至130.55 mm，兩幫向內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的擠壓從307.22 mm 減小至84.97 mm，此外，頂、底板和幫部塑性區(qū)的深度分別減小至1.58、2.05、1.35 m，可見(jiàn)該支護(hù)方案的應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷擴(kuò)展及大變形的有效控制[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

以錨固梁與拱結(jié)構(gòu)相結(jié)合的效應(yīng)為基礎(chǔ)，提出一種針對(duì)深部軟弱破碎復(fù)合頂板矩形斷面煤巷的新型支護(hù)技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上對(duì)不同支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，明確圍巖位移和塑性區(qū)損傷擴(kuò)展遵循的演化規(guī)律，最終得出不同方案的實(shí)際控制效果。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可得，采用以錨固梁與拱結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支護(hù)方案，除了能對(duì)煤巷離層和大變形予以有效控制，還能起到使圍巖及其支護(hù)結(jié)構(gòu)始終保持穩(wěn)定和安全的作用。