復(fù)合頂板巷道支護(hù)技術(shù)研究與實(shí)踐

李建康

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦，山西 太原 030205）

煤礦復(fù)合頂板巷道所處的應(yīng)力環(huán)境十分復(fù)雜，巷道冒頂、片幫、底鼓，支護(hù)體破壞等現(xiàn)象嚴(yán)重，復(fù)合頂板巷道圍巖的支護(hù)技術(shù)一直備受眾多專家的關(guān)注[1-3]。馬蘭礦18509 工作面運(yùn)輸巷頂板為復(fù)合頂板，巷道頂板易發(fā)生冒落，圍巖控制難度較大。采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探究深部復(fù)合頂板巷道圍巖的控制技術(shù)，為類似工程地質(zhì)條件下巷道圍巖的支護(hù)提供借鑒。

1 工程概況

18509 工作面標(biāo)高724.3～836.9 m，走向長(zhǎng)度為1359 m，開采8 號(hào)煤層屬穩(wěn)定可采厚煤層，煤層平均厚度4.35 m，含1～2 層不穩(wěn)定夾矸，平均厚度為0.20 m，硬度系數(shù)f≤3。18509 工作面運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度980 m，凈寬5.1 m，凈高3.0 m。煤層的頂板是由碳質(zhì)頁巖、砂質(zhì)泥巖以及泥巖等組成，其間有煤線等軟弱夾層，屬于典型的復(fù)合頂板。

2 深部復(fù)合頂板巷道變形破壞特征

2.1 巷道頂板巖層變形破壞特征

18509 工作面運(yùn)輸巷開挖后，巷道頂板多處頂板離層、錨桿索斷裂，頂板網(wǎng)兜處碎矸較多，巷道頂板維護(hù)困難。采用工字鋼梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)后，工字鋼梁發(fā)生彎曲破壞，補(bǔ)強(qiáng)效果不明顯。采用礦用CXK28 型鉆孔成像儀對(duì)巷道頂板巖層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，鉆孔深度為10 m，鉆孔直徑為28 mm。頂板鉆孔窺視結(jié)果如圖1。

圖1 巷道頂板鉆孔窺視圖

由圖1 可知，巷道頂部在0～4.2 m 范圍內(nèi)圍巖破碎，出現(xiàn)較為明顯的離層，4.2～6.5 m 范圍內(nèi)圍巖破碎程度較小，離層程度減弱，6.5～10 m 范圍內(nèi)圍巖完整性較0～6.5 m 范圍內(nèi)圍巖較好，但仍有微小的頂板離層。巷道頂板的整體穩(wěn)定性較差，隨工作面不斷向前推進(jìn)，巷道極易發(fā)生冒頂、片幫等圍巖破壞現(xiàn)象，應(yīng)加強(qiáng)巷道頂板的支護(hù)。

2.2 復(fù)合頂板控制對(duì)策

復(fù)合頂板巷道圍巖發(fā)生變形破壞，主要是復(fù)合頂板由不同巖層的材料組成，各巖層具有不同的撓度，在頂板的變形過程中極易產(chǎn)生離層。同時(shí)，不同巖層具有不同的強(qiáng)度，最先會(huì)在強(qiáng)度較小的軟弱層產(chǎn)生裂隙并逐漸發(fā)生分層、多次的破壞[4]?？刂茝?fù)合頂板穩(wěn)定性，需要通過支護(hù)手段將復(fù)合頂板固定為一個(gè)整體，避免軟弱層發(fā)生破壞。

錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的錨索具有懸吊作用，可以提高支護(hù)體和巷道圍巖的整體穩(wěn)定性，解決了單一錨桿支護(hù)下支護(hù)強(qiáng)度不足的問題，對(duì)復(fù)合頂板巷道具有較好的適用性。

3 支護(hù)參數(shù)理論計(jì)算

3.1 錨桿參數(shù)

1）錨桿長(zhǎng)度

式中：L為錨桿長(zhǎng)度，m；L1為墊板厚度+螺母厚度+（0.02～0.03）m，一般L1=0.1 m；L2為錨桿有效長(zhǎng)度，m；L3為錨入穩(wěn)定巖層深度，取值1.2 m。

由普氏自然平衡拱理論可得頂板位置錨桿的有效長(zhǎng)度為：

式中：B為巷道掘進(jìn)最大寬度，取值5.1 m；f頂為普氏硬度系數(shù)，取值3.5；H為巷道凈高，取值3.0 m；ω幫為兩幫位置巖體的內(nèi)摩擦角，取65°。

計(jì)算可得頂板位置錨桿的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)頂板≈0.9 m。

兩幫位置錨桿的有效長(zhǎng)度為：

式中：f為普氏硬度系數(shù)，取值3；D為煤層的厚度，取值3.0 m；φ為煤的內(nèi)摩擦角，取值26°。

計(jì)算可得兩幫位置錨桿的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)兩幫≈0.62 m。

所以頂板錨桿長(zhǎng)度L≥L1+L2+L3=0.1+0.9+1.2=2.2 m，兩幫錨桿長(zhǎng)度L≥L1+L2+L3=0.1+0.62+1.2=1.92 m?？紤]到一定的安全系數(shù)，故頂板錨桿長(zhǎng)度最終確定為2.2 m，兩幫錨桿長(zhǎng)度最終確定為2.0 m。

2）錨桿直徑

式中：D為錨桿直徑，mm；Q為錨桿錨固力，取為190 kN；σt為錨桿抗拉強(qiáng)度，取為500 MPa。經(jīng)計(jì)算可得D≈22 mm。

3）錨桿間距

式中：a為錨桿間、排距，m；Q為錨桿設(shè)計(jì)錨固力，幫錨桿≥90 kN；h為冒落高度，取值2.2 m；k為安全系數(shù)，取值1.8；r煤為巖體容重，取值28.5 kN/m3。經(jīng)計(jì)算可得a＜0.94 m。

考慮到安全系數(shù)，頂板錨桿間排距確定采用900 mm×900 mm，兩幫錨桿間排距采用1000 mm×900 mm。

3.2 錨索參數(shù)

1）錨索長(zhǎng)度

式中：L為錨索長(zhǎng)度，m；L1為錨索外露長(zhǎng)度，取0.3 m；Lb為不穩(wěn)定巖層的高度，取5.0 m；Lm為錨固長(zhǎng)度，取1.5 m。

計(jì)算可得L=6.8 m。

2）錨索間距

由懸吊理論和平衡理論，計(jì)算錨索的間距為：

式中：L為錨索間距，m；n為錨索的排數(shù)，取值1；F2為錨索的最大承載力，取值300 kN；L1為錨桿排距，取值0.9 m；B為巷道垮落的最大寬度，取值5.1 m；H為巷道冒落的高度，取值2.2 m；γ為巖體容重，取值28.5 kN/m3；F1為錨桿的錨固力，取值90 kN；θ為幫角錨桿與水平方向的夾角，取值60°。

計(jì)算可得L=2.05 m，結(jié)合煤礦井下工作面實(shí)際情況等因素，確定頂板錨索選用Ф21.8 mm×6800 mm 中空注漿錨索，間距2000 mm，排距1800 mm。

3.3 支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬驗(yàn)證

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件建立長(zhǎng)×寬×高=50 m×50 m×40 m 的三維數(shù)值模型，計(jì)算過程中采用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，模型的上表面邊界采用自由約束，四周和下表面邊界采用固定約束，煤層埋深為上覆巖層的重力。模型計(jì)算所得巷道豎向位移和應(yīng)力分布云圖如圖2。

圖2 巷道圍巖豎向位移、應(yīng)力分布云圖

由圖2 可知，頂板最大下沉量大約為28.6 mm，最大底鼓量約為8.4 mm，圍巖變形量相對(duì)較小，同時(shí)圍巖豎向應(yīng)力值約為6.2 MPa，應(yīng)力分布均勻，無應(yīng)力集中現(xiàn)象，巷道圍巖的安全穩(wěn)定性較高，說明采用優(yōu)化支護(hù)方案后，可對(duì)18509 工作面運(yùn)輸巷圍巖變形進(jìn)行有效控制。

3.4 支護(hù)技術(shù)方案

巷道兩幫支護(hù)選用Ф22 mm×2000 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為1000 mm×900 mm。配合使用BHW-280-4.5×4800 mm 的鋼帶。

巷道頂板每?jī)膳佩^桿中間設(shè)置兩根Ф21.8 mm×6800 mm 的中空注漿錨索，錨索間排距設(shè)計(jì)為2000 mm×1800 mm，注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比0.8，水玻璃的濃度50 °Bé，水玻璃與水泥漿液的體積之比為0.5:1。

頂板、兩幫鋪設(shè)長(zhǎng)×寬=2700 mm×1100 mm四邊形金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)搭接寬度設(shè)計(jì)為50 mm。巷道支護(hù)方案如圖3。

圖3 巷道支護(hù)方案圖（mm）

4 工業(yè)性試驗(yàn)

在巷道掘進(jìn)施工過程中采用“十字布點(diǎn)法”監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形情況，巷道變形曲線如圖4。采用兩點(diǎn)位移計(jì)以及多點(diǎn)位移計(jì)來進(jìn)行巷道頂板離層量的測(cè)量，在運(yùn)輸順槽中位移計(jì)每間隔50 m 布設(shè)1 個(gè)，每個(gè)離層儀布設(shè)2 個(gè)點(diǎn)，位移計(jì)的深度分別設(shè)計(jì)為2.5 m 、6.5 m。

圖4 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形曲線圖

由圖4 可知，在巷道掘進(jìn)的前10 d，巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變形量不大，10～36 d 巷道底板及兩幫圍巖變形速率較大，在90 d 后，圍巖變形量趨于穩(wěn)定。頂?shù)装遄畲笞冃瘟糠謩e為26 mm、72 mm，高、低幫最大變形量分別為56 mm、31 mm，運(yùn)輸順槽整體斷面收縮率約為4.7%，圍巖支護(hù)效果良好。

由圖5 可知，頂板離層量與時(shí)間存在密切關(guān)系，離層量變化具有階梯性。在巷道開始掘進(jìn)時(shí)，錨桿可以發(fā)揮其支護(hù)作用，直接頂產(chǎn)生較小的離層，隨后，隨掘進(jìn)時(shí)間的發(fā)展，頂板淺部離層量開始增大，在20 d 以后，淺部離層量趨于穩(wěn)定值4.8 mm；頂板深部離層量在巷道開始進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)較小，之后離層量發(fā)生較大的跳躍，在60 d 以后，深部離層量趨于穩(wěn)定值20.5 mm，巷道頂板整體較為穩(wěn)定。

圖5 頂板離層變化曲線

5 結(jié)語

1）通過采用巷道圍巖錨桿索支護(hù)計(jì)算公式確定馬蘭礦18509 工作面運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)，數(shù)值模擬驗(yàn)證了“錨桿索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)參數(shù)的合理有效性。

2）采用“錨桿索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，運(yùn)輸順槽整體斷面的收縮率約為4.7%，且離層量較小，表明該聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在深井復(fù)合頂板支護(hù)中的適用性。