西掌礦15103運(yùn)輸配巷復(fù)合頂板支護(hù)優(yōu)化研究

董貴鵬, 徐海蕓

(1.山西長(zhǎng)治聯(lián)盛西掌煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治 047100;2.山西長(zhǎng)治聯(lián)盛煤業(yè)投資有限公司,山西 長(zhǎng)治 047100)

復(fù)合頂板在我國(guó)大多數(shù)礦區(qū)煤層巷道廣泛存在,其主要是由剛度相差較大的多層層狀巖層相間構(gòu)成,極易發(fā)生無(wú)顯著征兆的突發(fā)性離層冒落[1-2]。因此,復(fù)合頂板穩(wěn)定控制具有重要意義。

在復(fù)合頂板支護(hù)優(yōu)化方面大量的學(xué)者開(kāi)展研究,蘇學(xué)貴[3]采用原位實(shí)測(cè)、物理模擬與數(shù)值計(jì)算手段,揭示特厚復(fù)合頂板巷道淺部巖層錨桿組合梁與深部巖體錨索承載拱的形成及其拱-梁耦合作用機(jī)制。楊峰[4]通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬方法研究得出復(fù)合頂板的變形破壞主要是因錨桿的主動(dòng)支護(hù)作用較差,最終導(dǎo)致復(fù)合頂板的大變形以至破壞。侯朝炯等[5]針對(duì)復(fù)合頂板極軟煤層巷道圍巖破壞的特點(diǎn),提出用頂板預(yù)注漿、錨桿支護(hù)等手段來(lái)控制巷道圍巖變形、加強(qiáng)頂板的支護(hù)強(qiáng)度、充分利用圍巖自身承載能力來(lái)維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。郭相平等[6]以新元礦9104工作面為背景,劃分了不同范圍的治理區(qū)域,提出分區(qū)復(fù)合超前預(yù)注漿協(xié)同加固技術(shù)。關(guān)玉祥等[7]提出了托頂煤巷道的“錨噴注”聯(lián)合控制技術(shù)。

論文以西掌煤礦15103運(yùn)輸巷配巷復(fù)合頂板為工程背景,鉆孔窺視確定復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)。采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法優(yōu)化15103運(yùn)輸巷配巷的支護(hù)參數(shù)。

1 工程背景

西掌煤礦15103工作面寬度135 m,走向推進(jìn)長(zhǎng)度約為1 475 m,煤層平均埋深約為170 m,厚度3.71 m.15號(hào)煤層直接頂為厚0.9～1.32 m的炭質(zhì)泥巖,老頂是厚8.27 m的K2石灰?guī)r,直接底為砂質(zhì)泥巖,厚度2.70 m,老底為細(xì)砂巖,厚度4.01 m.

15103運(yùn)輸巷在掘進(jìn)過(guò)程中揭露較大的斷層,因此在距離巷道開(kāi)口700 m位置重新開(kāi)口掘進(jìn)一條配巷繞過(guò)斷層。15103運(yùn)輸巷配巷位于15號(hào)煤層一采區(qū),用于服務(wù)井下15103工作面的通風(fēng)、行人、運(yùn)輸?shù)男枰Ｏ锏涝O(shè)計(jì)長(zhǎng)度為310 m,高度3.5 m,寬度5 m,平面布置圖如圖1所示。

圖1 15103運(yùn)輸巷配巷平面布置圖

2 煤巖復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)鉆孔窺視分析

為能夠全面掌握15103運(yùn)輸巷配巷頂板巖層結(jié)構(gòu)特性,在15103運(yùn)輸巷配巷頂板進(jìn)行鉆孔窺視。垂直于巷道頂板施工鉆孔,鉆孔直徑均為28 mm,1號(hào)頂孔深度6 m,2號(hào)頂孔深度7 m,1號(hào)和2號(hào)孔的開(kāi)孔位置相距50 m以上。鉆孔窺視結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 1號(hào)探測(cè)孔不同深度的巖層狀況

圖3 2號(hào)探測(cè)孔不同深度的巖層狀況

1號(hào)鉆孔探測(cè)結(jié)果顯示(圖2):從巷道頂板表面開(kāi)始1.9 m內(nèi)為黑灰色的泥巖,泥巖沒(méi)有大型的離層裂隙。在1.9 m的位置出現(xiàn)明顯的煤巖交界面,直到2.7 m的位置再次出現(xiàn)煤巖分界面進(jìn)入K2石灰?guī)r層位,頂板煤層夾矸的厚度為0.8 m.

2號(hào)鉆孔探測(cè)結(jié)果顯示(圖3):從巷道頂板表面開(kāi)始1.85 m內(nèi)為黑灰色的泥巖,在1.85 m的位置出現(xiàn)明顯的煤巖交界面,在2.75 m的位置再次出現(xiàn)煤巖分界面進(jìn)入K2石灰?guī)r層位,頂板煤層夾矸的厚度為0.9 m.

綜合2個(gè)鉆孔的探測(cè)結(jié)果,得到15103運(yùn)輸巷配巷的頂板結(jié)構(gòu)如圖4所示。15103運(yùn)輸巷配巷的頂板為典型的煤巖復(fù)合頂板結(jié)構(gòu),由淺至深依次為:泥巖(厚度1.85～1.9 m),其次為煤層(厚度0.8～0.9 m),再上部為K2石灰?guī)r(厚度大于4 m)。下部泥巖的裂隙不發(fā)育,泥巖與煤層,以及煤層與K2石灰?guī)r的煤巖分界線之間沒(méi)有明顯的水平離層,但是夾矸煤層和上覆K2石灰?guī)r的剛度相差較大,存在離層的風(fēng)險(xiǎn),成為支護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

圖4 窺視孔巖層結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果(單位:mm)

3 煤巖復(fù)合頂板巷道破壞特征數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)工程地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)實(shí)際情況,建立尺寸為:長(zhǎng)×高=60 m×60 m的UDEC數(shù)值模型,巷道周邊重點(diǎn)區(qū)域采用Trigon三角塊體模型。模型上部邊界均勻施加3.0 MPa等效上覆巖層自重的均布荷載,底部和四周邊界采用位移法固定,破壞準(zhǔn)則采用摩爾庫(kù)倫模型。建立模型如圖5所示。

圖5 UDEC數(shù)值計(jì)算模型

3.2 圍巖破壞特征分析

數(shù)值模擬得到巷道圍巖裂隙分布特征如圖6所示。

由圖6可知:①配巷掘出以后,淺部圍巖裂隙發(fā)育并少量貫通,深部圍巖出現(xiàn)少量的離散裂隙;②無(wú)支護(hù)條件下,配巷掘出后頂板裂隙發(fā)育區(qū)高度為1.81 m,處在泥巖和煤層夾矸的交界面位置,容易發(fā)生離層變形;兩幫的裂隙發(fā)育區(qū)寬度分別為1.76 m和1.54 m.配巷的圍巖變形破壞比較明顯;③采用錨桿錨索支護(hù)后,配巷在迎頭位置頂板裂隙發(fā)育區(qū)高度降低為1.17 m,錨桿支護(hù)能夠有效控制頂板的變形,將裂隙區(qū)控制在泥巖范圍內(nèi),保持上部煤層的完整性,提高煤巖組合頂板的主動(dòng)承載能力;兩幫煤體裂隙區(qū)寬度分別減小為0.44 m、0.41 m;錨桿支護(hù)能夠有效控制配巷兩幫的變形;④15103運(yùn)輸配巷圍巖裂隙發(fā)育都未超過(guò)錨桿有效錨固長(zhǎng)度,能夠?qū)ο锏绹鷰r形成穩(wěn)定的主動(dòng)承載結(jié)構(gòu),達(dá)到良好的支護(hù)效果。

4 煤巖復(fù)合頂板巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

4.1 復(fù)合頂板巷道支護(hù)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)15103運(yùn)輸配巷鉆孔窺視得到的頂板結(jié)構(gòu)特征和模擬的巷道圍巖破壞特征,以高預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)主動(dòng)支護(hù)、控制離層和利用深部堅(jiān)硬K2石灰?guī)r為原則對(duì)復(fù)合頂板巷道進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化。

在錨網(wǎng)噴高預(yù)應(yīng)力組合拱中,錨桿是支護(hù)的主體構(gòu)件,它能與松動(dòng)的圍巖相互作用組成組合拱。按照組合拱理論對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖7 組合拱參數(shù)計(jì)算圖

錨桿有效長(zhǎng)度:

(1)

式中:l為錨桿有效長(zhǎng)度,m;b為組合拱厚度,m;a為錨桿間距,m;α為錨桿對(duì)破裂巖體的控制角,一般取45°.

首先要保證泥巖和煤層落在組合拱內(nèi)形成預(yù)應(yīng)力承載層,后期采用錨索將預(yù)應(yīng)力承載層懸吊在深部堅(jiān)硬巖層內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比,選取錨桿間距a=900 mm,組合拱厚度b=2.1 m,最終計(jì)算得到錨桿長(zhǎng)度l=3.0 m.因此,選擇3 m的長(zhǎng)錨桿并采用加長(zhǎng)錨固的方式,可以最有效地阻止夾矸煤層在上下兩個(gè)界面的離層,從而控制頂板穩(wěn)定。

錨索應(yīng)將錨桿支護(hù)形成的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連,發(fā)揮深部圍巖的承載能力,提高預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。圖8為采用FLAC3D對(duì)不同頂板錨索長(zhǎng)度的圍巖預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布的模擬結(jié)果。

圖8 不同錨索長(zhǎng)度的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)分布

由圖8可知,在相同預(yù)應(yīng)力條件下,長(zhǎng)度為6 m的錨索形成的有效壓應(yīng)力區(qū)相互疊加形成整體,錨索的主動(dòng)支護(hù)作用得到充分發(fā)揮,但錨索長(zhǎng)度過(guò)短,錨固區(qū)厚度過(guò)小,不能保證頂板穩(wěn)定。當(dāng)錨索長(zhǎng)度增加到8 m時(shí),壓應(yīng)力區(qū)范圍與厚度增加,錨索作用范圍擴(kuò)大,但錨索有效壓應(yīng)力區(qū)減小,尤其是錨索長(zhǎng)度中上部有效壓應(yīng)力區(qū)明顯收縮,主動(dòng)支護(hù)效果差。最終確定頂板錨索合理長(zhǎng)度為6.3 m,錨固端在頂板堅(jiān)硬的K2石灰?guī)r中。

4.2 復(fù)合頂板巷道支護(hù)參數(shù)的確定

西掌煤礦15103運(yùn)輸巷配巷沿煤層底板掘進(jìn),巷道斷面寬×高=5 000 mm×3 500 mm,巷道支護(hù)斷面如圖9所示。

圖9 15103運(yùn)輸巷配巷支護(hù)參數(shù)(單位:mm)

1) 頂板支護(hù)。頂錨桿:使用Φ20 mm×3 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×1 100 mm,每排6根,頂部錨桿垂直于巷道頂板,兩側(cè)肩窩錨桿距離煤幫250 mm,頂錨桿采用加長(zhǎng)錨固,每根錨桿用2支MSCK2335型樹(shù)脂錨固劑和1支MSZ2360型樹(shù)脂錨固劑錨固。頂板使用6眼鋼筋鋼帶,鋼帶采用Φ10 mm螺紋鋼制作,長(zhǎng)5 000 mm,寬60 mm.頂板錨索使用Φ17.8 mm×6 300 mm的礦用錨索,采用“212”(第1排與第3排布置2根,第2排布置1根)布置方式,錨索垂直于巷道頂板,1排2根錨索時(shí)錨索間距為2 000 mm,錨索排距1 100 mm.

2) 兩幫支護(hù)。兩幫錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×1 100 mm,每排5根。錨桿垂直于幫部墻體。幫錨桿使用5眼鋼筋鋼帶,并鋪設(shè)金屬網(wǎng)。

5 15103運(yùn)輸配巷控制效果

15103運(yùn)輸配巷掘進(jìn)過(guò)程中,優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后巷道變形如圖10所示。

圖10 15103運(yùn)輸配巷圍巖變形

由圖10可知,巷道的變形量主要在距離迎頭85 m范圍內(nèi)產(chǎn)生,巷道兩幫變形量大于頂?shù)装逡平?頂?shù)装逡平孔畲鬄?43 mm,兩幫移近量最大為108 mm,巷道變形量較小,驗(yàn)證了支護(hù)參數(shù)的合理性。

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 鉆孔窺視測(cè)得15103運(yùn)輸巷配巷頂板泥巖厚度1.85～1.9 m,其次為煤層厚度0.8～0.9 m,再次上部為堅(jiān)硬的K2石灰?guī)r厚度大于4 m.夾矸煤層和上覆K2石灰?guī)r的剛度相差較大,存在離層風(fēng)險(xiǎn)。

2) 15103運(yùn)輸巷配巷頂板使用Φ20 mm×3 000 mm錨桿加長(zhǎng)錨固,配合Φ17.8 mm×6 300 mm的礦用錨索,可以最有效地阻止夾矸煤層在上下兩個(gè)界面的離層,從而控制頂板穩(wěn)定。

3) 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后,15103運(yùn)輸配巷巷道兩幫變形量大于頂?shù)装逡平?頂?shù)装逡平孔畲鬄?43 mm,兩幫移近量最大為108 mm,有效控制巷道圍巖穩(wěn)定。