深井復合頂板煤巷過構(gòu)造破碎帶支護參數(shù)優(yōu)化研究

尹彥東

（新泰市羊泉礦業(yè)有限公司，山東 泰安 271000）

羊泉礦業(yè)有限公司四采區(qū)輔助皮帶下山為煤巷，埋深845～932 m，其鄰近的四采區(qū)輔助軌道下山局部段（F12-1 斷層影響區(qū)內(nèi)）頂板下沉明顯，兩幫肩窩處變形嚴重?，F(xiàn)場鉆孔窺視表明頂板下沉明顯段巷道支護系統(tǒng)穩(wěn)定性差，如其再受到采動影響，存在冒頂隱患。四采區(qū)輔助皮帶下山距F12-1斷層更近，圍巖整體性預計更差，亟需開展深井復合頂板煤巷過構(gòu)造破碎帶支護參數(shù)優(yōu)化研究[1-5]。

1 工程概況

四采區(qū)輔助皮帶下山延伸段位于F12-1 斷層南部，沿2 煤層頂板掘進，巷道標高-647～-728 m，垂深平均890 m，巷道傾角24°，為下山掘進煤巷。該巷道西部為4203 工作面（未掘），掘進期間不受采動影響。巷道設(shè)計斷面形狀為梯形，凈寬3.2 m，中心凈高不低于2.4 m，采用炮掘工藝，風煤鉆或風鉆人工打眼，全斷面一次爆破。

2煤層結(jié)構(gòu)較復雜，厚度2.2～3.6 m，平均厚度2.4 m。煤層頂?shù)装鍘r性及物理力學參數(shù)見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

2 巷道支護參數(shù)優(yōu)化

1）錨桿預緊力

錨桿預緊力的施加對頂板的影響范圍可以理解為錨桿支護系統(tǒng)對圍巖主動加固帶的范圍，通過影響范圍內(nèi)壓縮加固帶對頂板離層的控制狀況，進而確定預緊力的大小。在錨桿預緊力較小時，錨桿只在兩端形成相互分離的兩個壓力泡。隨著錨桿預緊力的逐步增加，壓力泡的范圍也在相應(yīng)擴大，以至兩個壓力泡相交重疊，形成一個垂直貫通的橢球形錨桿預緊力影響范圍。錨桿的預緊力越大，影響范圍越大，壓力泡重疊范圍越大。

應(yīng)用有限元分析方法，通過改變模型中錨桿的預緊力進行一系列的模型運算，最終獲得合理的錨桿預緊力，以達到復合頂板無離層的支護效果。通過施加不同預緊力（2 t、4 t、5 t、6 t）來觀測頂板1200 mm 范圍內(nèi)（通過現(xiàn)場打眼觀測頂板層理狀泥巖為1 m 左右，同時檢測泥巖與砂巖交界面離層狀況，故選擇1200 mm）300 mm、600 mm、900 mm、1200 mm 處的離層情況，進而選擇確定合適的錨桿預緊力數(shù)值。如圖1。

圖1 不同預緊力下頂板離層情況

通過有限元分析可以看出，提高錨桿的預緊力可以形成重疊的壓縮泡，以消除頂板巖層的離層，從而取得最佳的支護效果。同時，得出錨桿所需的最小預緊力為6 t。為防止螺母上緊過程中因扭矩過大產(chǎn)生的動荷載施加破壞螺母和桿體的絲部配合，結(jié)合現(xiàn)場實踐，錨桿預緊力不易超出錨桿屈服強度的50%，建議頂板錨桿6～8 t 的預緊力為宜。

2）錨桿長度

四采區(qū)皮帶下山為實體煤巷道，其巷道應(yīng)力環(huán)境的變化受煤層傾角及巷道埋深的影響較大。通過FLAC3D模擬分析巷道應(yīng)力場分布情況，得出如圖2所示云圖。

圖2 四采區(qū)輔助皮帶下山應(yīng)力分布云圖

從圖2 可以得到以下結(jié)論：

① 拉應(yīng)力分布云圖可以看出，拉應(yīng)力主要分布在巷道頂板及底板位置，且其拉應(yīng)力已超出圍巖的抗拉強度（圍巖抗拉強度在0.3 MPa 左右，而正拉應(yīng)力區(qū)所受的拉應(yīng)力為+0.35～+0.4 MPa），頂板拉應(yīng)力破壞區(qū)為1.7 m，底板拉伸破壞深度為0.5 m，巷道有底鼓發(fā)生。

② 水平剪應(yīng)力分布云圖可以看出，水平剪應(yīng)力最大值（正值）為+0.64 MPa，超出圍巖抗剪強度0.54 MPa；水平剪應(yīng)力主要集中在巷道頂板、右?guī)蜕喜俊⒆髱拖虏?，最大剪切破壞深度?.3 m（發(fā)生在巷道右?guī)臀恢茫?。巷道上幫肩窩發(fā)生剪破破壞后，幫部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以大埋深巷道上幫圍巖穩(wěn)定性較差。

從圖2 的拉應(yīng)力及水平剪應(yīng)力分布結(jié)果可以看出，巷道頂板最大破壞深度為1.7 m，兩幫最大破壞深度為1.3 m，所以錨桿有效支護長度為1.7 m。基于礦井目前的錨桿長度和錨固劑的錨固長度（0.6 m），考慮巷道尺寸和保證支護具有一定的安全系數(shù)的要求，最終選擇錨桿長度為2.4 m。

3）巷道支護強度

圍巖彈性支護定義是支護系統(tǒng)所提供的支護強度足夠大，圍巖整體不發(fā)生塑性破壞和塑性變形。在淺部開采條件下，巷道支護設(shè)計的基本準則為圍巖只發(fā)生彈性變形而沒有塑性變形。然而達到一定深度之后，在目前的支護產(chǎn)品和支護技術(shù)水平條件下，彈性支護很難達到。根據(jù)彈塑性力學基本理論，結(jié)合羊泉礦業(yè)有限公司的地質(zhì)采礦條件，彈性設(shè)計準則公式如下：

式中：Pa為在塑性區(qū)范圍為0 時的支護阻力（臨界彈性設(shè)計阻力），MPa；σz為和采深成正比的垂直應(yīng)力，MPa；c為巖石內(nèi)聚力，MPa；φ為巖石內(nèi)摩擦角，（°）。

根據(jù)上述方程，確定軟、中硬和硬煤的臨界彈性設(shè)計支護阻力和開采深度的關(guān)系如圖3。

圖3 臨界彈性設(shè)計支護阻力和開采深度關(guān)系

4）巷道支護優(yōu)化

通過上述分析，確定巷道支護優(yōu)化方式：高強高預緊力錨桿+鋼帶托盤+礦用籠型錨索。具體支護方式如圖4。

圖4 巷道支護斷面圖

① 錨桿支護。錨桿類型：高強預緊力錨桿； 錨桿規(guī)格：Φ20 mm×2400 mm； 錨桿桿體材料：Q500Φ20 mm 礦用高強螺紋鋼， 屈服強度15.7 t，抗拉強度19.7 t；樹脂錨固劑：MSCK2335×1+MSK2360×1； 頂板護表措施：6#鋼筋焊接經(jīng)緯網(wǎng)；錨桿托盤選用150 mm×150 mm×10 mm， 高強弧形托盤+300 mm×300 mm×3.75 mm 鋼帶托盤；預應(yīng)力：6～8 t。

② 礦用籠型錨索支護。錨索類型：礦用籠型錨索；錨索規(guī)格：Φ17.8 mm×6000 mm，最小破斷力36 t；樹脂錨固劑：MSCK2335×1+ K2360×2；錨索托盤：300 mm×300 mm×12 mm的高強弧形托盤；預應(yīng)力：10～12 t。

3 巷道圍巖支護效果分析

通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場經(jīng)驗對照，對四采區(qū)輔助皮帶下山過構(gòu)造破碎帶巷道進行支護優(yōu)化，現(xiàn)場采用十字觀測法進行巷道圍巖變形觀測，其變形結(jié)果如圖5。從圖中可以看出，頂?shù)装逑鄬σ平亢蛢蓭拖鄬σ平孔兓厔菹嗨?，均表現(xiàn)出先快速增大，后趨于穩(wěn)定的特征，其中頂?shù)装逑鄬σ平孔畲笞冃瘟窟_到103 mm，兩幫相對移近量最大變形值為77 mm，均在巷道允許變形范圍之內(nèi)。現(xiàn)場觀測表明優(yōu)化之后的支護方案能夠有效抑制構(gòu)造破碎帶內(nèi)巷道圍巖的變形失穩(wěn)，促進了巷道圍巖形成整體承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖自承能力，保證了巷道在服務(wù)期間圍巖和支護結(jié)構(gòu)較長時間內(nèi)的穩(wěn)定。

圖5 巷道圍巖變形觀測趨勢

4 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬分析，確定了消除頂板巖層離層的錨桿最小預緊力為6 t，同時結(jié)合巷道拉應(yīng)力及水平剪應(yīng)力分布云圖，得出頂板最大破壞深度為1.7 m，兩幫最大破壞深度為1.3 m，并最終選擇錨桿長度為2.4 m。

2）基于圍巖彈性支護理論和現(xiàn)場經(jīng)驗，確定了軟、中硬和硬煤的臨界彈性設(shè)計支護阻力和開采深度的關(guān)系，從而確定了巷道支護優(yōu)化方式：高強高預緊力錨桿+鋼帶托盤+礦用籠型錨索。

3）通過現(xiàn)場圍巖觀測得出，頂?shù)装逑鄬σ平孔畲笞冃瘟窟_到103 mm，兩幫相對移近量最大變形值為77 mm，均在巷道允許變形范圍之內(nèi)，表明優(yōu)化之后的支護方案能夠有效抑制構(gòu)造破碎帶內(nèi)巷道圍巖的變形失穩(wěn)，保證巷道在服務(wù)期間圍巖和支護結(jié)構(gòu)較長時間內(nèi)的穩(wěn)定。