德順煤業(yè)復(fù)合頂板巷道圍巖控制技術(shù)研究

崔樹文

（山西焦煤西山煤電德順煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000）

隨著礦井不斷增大開采強(qiáng)度和深度，巷道所受到的地應(yīng)力也在持續(xù)增大，巷道圍巖不斷發(fā)生破碎，錨桿與錨索破斷失效數(shù)量在增加，頂板垮落的概率也在升高，導(dǎo)致巷道難以支護(hù)[1]。由于煤層賦存條件的不同，部分礦井所開采煤層頂板屬于復(fù)合頂板，復(fù)合頂板具有發(fā)育充分的裂隙、巖層間具有較小的粘結(jié)力、強(qiáng)度小、穩(wěn)定可靠性差，巷道掘進(jìn)后易發(fā)生破斷[2]，復(fù)合頂板巷道支護(hù)已成為現(xiàn)階段急需攻克的難題。

科研工作者對(duì)此開展大量科研工作，范仕清等[3]在丁集礦1232（1）工作面回風(fēng)巷通過預(yù)應(yīng)力中空錨桿和預(yù)應(yīng)力中空錨索分步注漿，明顯減少了巷道圍巖的變形；高鳳偉等[4]在趙莊煤礦實(shí)施全斷面高預(yù)緊力錨索支護(hù)技術(shù)，回采巷道的圍巖變形量明顯下降，確保礦井安全回采；王新國(guó)等[5]在榆家梁煤礦軟弱復(fù)合頂板巷道實(shí)施“內(nèi)+外層錨桿”聯(lián)合支護(hù)方案，頂板、兩幫最大變形量下降了50%以上。

本文在山西焦煤集團(tuán)西山煤電公司德順煤業(yè)（簡(jiǎn)稱“德順煤業(yè)”）11106 皮帶巷掘進(jìn)面開展試驗(yàn)研究，研究復(fù)合頂板巷道圍巖變形破壞規(guī)律，分析在錨桿預(yù)緊力不同時(shí)如何抑制復(fù)合頂板離層，并制定復(fù)合頂板巷道圍巖的支護(hù)措施，提高圍巖的穩(wěn)定性[6-7]。

1 工作面情況

山西焦煤集團(tuán)西山煤電公司德順煤業(yè)11106工作面開采11#煤，煤厚為3.9 m，煤層傾角為6°，傾斜長(zhǎng)度124 m，可采走向長(zhǎng)度690 m，埋藏深度440.5 m，工作面柱狀圖如圖1所示。從圖1得到：巷道頂板屬于復(fù)合頂板巖層。

圖1 柱狀圖

11106 皮帶巷位于一采區(qū)東南翼，東鄰礦界保安煤柱、工作面東部40 m 為金達(dá)煤業(yè)9#、10#煤層采空區(qū)，南鄰X8 陷落柱及煤柱，西鄰11102 工作面（已回采），北鄰東翼膠帶大巷，工作面上部為10102、10106 采空區(qū)。

巷道掘進(jìn)完成后作為11106 工作面的出煤巷道，主要用途為鋪設(shè)皮帶給工作面運(yùn)輸煤炭，掘進(jìn)面尺寸5 m（寬）×2.8 m（高），掘巷采用EBZ-135 型掘進(jìn)機(jī)割、裝、運(yùn)煤，頂板支護(hù)采用的是錨桿、錨索，錨桿中間添加錨索，二者分別長(zhǎng)為2.4 m、7.4 m，每排按6根、3根布置錨桿及錨索，排距1 m×1 m；巷幫施工錨桿4根，采用菱形金屬網(wǎng)支護(hù)頂板及兩幫，間排距與頂板布置相同。

表1是工作面地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，從表中看出，最大水平主應(yīng)力方向與皮帶巷走向的夾角為65.3°，說(shuō)明對(duì)巷道頂?shù)装宸€(wěn)定性產(chǎn)生了較大沖擊。表2顯示了巷道頂板單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，可以看出巖層間強(qiáng)度差異大，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著影響。

表1 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表2 單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2 巷道變形特征

2.1 頂板巖層變形規(guī)律

11106 皮帶巷掘進(jìn)一段時(shí)間后，頂板多處出現(xiàn)較大離層，淺區(qū)離層值87 mm，深區(qū)42 mm，直接頂出現(xiàn)了嚴(yán)重的裂紋、損壞，頂板出現(xiàn)了一些墜袋，需排出碎矸。錨桿只起到懸吊作用，不再起到主動(dòng)支撐的作用。頂板中間地點(diǎn)開始彎曲變形，覆巖施加于錨桿的作用力超過150 kN，有的地點(diǎn)錨索和錨桿發(fā)生斷裂，難以維護(hù)頂板。為有效阻止頂板發(fā)生彎曲下沉甚至破碎冒頂，通過采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)手段（打設(shè)單體柱和架工字鋼梁）抑制頂板下沉，但是補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果不佳，單體柱因承載壓力大而發(fā)生超載卸壓，工字鋼梁被壓彎變形。

在11106 皮帶巷650 m 處施工3 個(gè)頂板巖層裂隙觀測(cè)孔，以觀察裂隙發(fā)育情況。設(shè)計(jì)觀測(cè)孔的長(zhǎng)度為10 m，方位角為270°，傾角分別為40°、45°、50°。

此次頂板巖層變形規(guī)律分析選擇1 號(hào)鉆孔進(jìn)行研究，利用鉆孔窺視儀觀察1 號(hào)鉆孔頂板發(fā)生明顯離層的區(qū)域，圖2 為鉆孔窺視情況。從圖2 中看出：鉆孔長(zhǎng)度不超過4 m 時(shí)，頂板巖石破壞比較嚴(yán)重，出現(xiàn)了多處深裂紋與碎石，離層明顯。鉆孔長(zhǎng)度在4 m 至6 m 之間，有幾處出現(xiàn)了離層；鉆孔長(zhǎng)度超過6 m 處的巖層整體性較好，但離層現(xiàn)象持續(xù)延伸向更深處，圍巖穩(wěn)定性存在挑戰(zhàn)。

圖2 鉆孔窺視情況

2.2 頂板錨桿變形規(guī)律

在11106 皮帶巷頂板嚴(yán)重變形處選擇6 根錨桿進(jìn)行研究，此處巷道受外界環(huán)境影響很小，掘進(jìn)規(guī)范，地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，具有一定的代表性，從左至右依次抽出6根同排錨桿，編號(hào)1~6號(hào)，以素描的方式取得錨桿變形效果，如圖3 所示。表3 為1～6 號(hào)錨桿變形量，從表3發(fā)現(xiàn)：巷道頂角區(qū)域設(shè)置1、6號(hào)錨桿，二者在煤巖分界面處發(fā)生明顯的剪切變形，其余部分幾乎沒有變形。巷道頂板兩側(cè)為2、5 號(hào)錨桿，同樣在煤巖分界面出現(xiàn)較大剪切變形，但在其他部分也發(fā)生輕微變形。頂板中部的兩根錨桿標(biāo)為3、4 號(hào)，與其他錨桿不同，3、4 號(hào)在分界面的變形小，但在其他面比另外4 根錨桿的剪切變形量大。

表3 1~6號(hào)錨桿變形量

圖3 素描錨桿變形效果

2.3 頂板巖層變形過程

圖4 為11106 皮帶巷復(fù)合頂板巖層變形過程。最初掘進(jìn)巷道時(shí)，頂板巖層在錨桿和錨索的支撐下，頂板結(jié)構(gòu)完好，未出現(xiàn)明顯離層，巖層相對(duì)穩(wěn)定。掘進(jìn)1個(gè)月后，因?yàn)閹r層間的物理性質(zhì)差異，會(huì)產(chǎn)生變形不同步，表現(xiàn)為輕微離層，受水平、垂直應(yīng)力共同作用，頂板出現(xiàn)下沉但下沉量較小，頂板幾乎保持穩(wěn)定；掘進(jìn)3個(gè)月后，頂板出現(xiàn)明顯下沉，各巖層間離層顯著，頂板逼近失穩(wěn)。掘進(jìn)6 個(gè)月后，巖層變形加大，突破彎曲極限，產(chǎn)生塑性破壞出現(xiàn)碎塊，頂板失穩(wěn)不再具有支護(hù)作用。

圖4 巖層變形階段

3 巷道支護(hù)分析

3.1 錨桿預(yù)緊力的控制作用

根據(jù)11106 工作面圍巖與巷道實(shí)際，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件搭建復(fù)合頂板巖層研究模型，具體如圖5所示，模型的長(zhǎng)、寬、高分別為40 m、1 m、17.9 m，對(duì)模型進(jìn)行劃分，單元和節(jié)點(diǎn)分別為20 580 個(gè)、30 090 個(gè)，重力加速度取值為10 m/s2，錨桿的有效錨固距離取800 mm，模型的計(jì)算模式選取大變形。根據(jù)工作面選用的錨桿型號(hào)設(shè)置錨固段參數(shù)，將每根錨桿劃分pile單元為24 個(gè)，在錨桿錨固區(qū)域構(gòu)建interface 單元模擬層理面為7個(gè)。

圖5 數(shù)值模型

模擬給錨桿施加不同的預(yù)緊力，頂板塑性區(qū)面積如圖6 所示。從圖6 中看出：錨桿支護(hù)但未預(yù)緊時(shí)，頂板彎曲下沉且出現(xiàn)離層，淺層巖層雖由錨桿緊固于深層巖層，但其穩(wěn)定性不佳，長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化作用下易出現(xiàn)失穩(wěn)垮落；預(yù)緊力為30 kN，頂板塑性區(qū)面積有所減小，層理面間出現(xiàn)離層，巖層穩(wěn)定性降低；預(yù)緊力增加至120 kN，破壞性面積顯著變小，圍巖的穩(wěn)定性增加；升高至180 kN，幾乎沒有出現(xiàn)離層，說(shuō)明高預(yù)應(yīng)力錨桿能夠增強(qiáng)支護(hù)，降低離層概率，切實(shí)提高復(fù)合頂板巖層的強(qiáng)度與穩(wěn)固。

圖6 錨桿預(yù)緊力不同時(shí)頂板塑性區(qū)面積

模擬錨桿施加不同預(yù)緊力時(shí)，頂板的垂直位移如圖7 所示。從圖7 可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)未施加預(yù)緊力，頂板垂直位移高達(dá)186 mm，呈現(xiàn)明顯的下沉，說(shuō)明錨桿支護(hù)無(wú)法穩(wěn)固巖層；不斷增大預(yù)緊力，下沉位移不斷變?。簧叩?80 kN，位移出現(xiàn)最大值約60 mm，說(shuō)明高預(yù)應(yīng)力錨桿可以顯著提高巖層自承載能力。

圖7 錨桿預(yù)緊力不同時(shí)頂板垂直位移情況

3.2 復(fù)合頂板巷道支護(hù)方法

1）提高錨桿（索）預(yù)緊力。當(dāng)給予錨桿錨索高預(yù)緊力時(shí)，其對(duì)復(fù)合巖層的固定作用增強(qiáng)，巖層之間離層現(xiàn)象減弱，巖層的整體性較好。將錨桿更換為短錨索，預(yù)緊力能夠增強(qiáng)4倍至6倍。

2）淺部和深部巖層聯(lián)合支護(hù)。因?yàn)樵趹?yīng)力作用下，淺層巖易出現(xiàn)裂痕損壞，而多個(gè)短錨索同時(shí)作用，會(huì)在淺層巖內(nèi)部搭建出預(yù)應(yīng)力梁；同時(shí)短錨索具有較強(qiáng)的剛度，會(huì)增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度，抵抗剪切變形；長(zhǎng)錨索作用于深巖層，會(huì)提高巖層整體的承載能力，長(zhǎng)短錨索結(jié)合可減少因淺層巖破損造成的冒頂事故。

3）使用高剛度支護(hù)材料。利用高強(qiáng)度的鋼筋網(wǎng)能提高巖層的整體性，利用W 鋼帶能增大淺層巖的支護(hù)面積，進(jìn)一步提高頂板結(jié)構(gòu)完整性。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

4.1 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

11106 皮帶巷支護(hù)參數(shù)：選用?22 mm×4 300 mm、250 kN 預(yù)緊力的短錨索，錨固方式使用加長(zhǎng)錨固，按照每排5 根施工，間排距為1 050 mm×1 000 mm，通過W鋼帶對(duì)5 根錨索進(jìn)行連鎖。每2 排短錨索中間施工2 根長(zhǎng)錨索，長(zhǎng)錨索選用?22 mm×7 300 mm，其他參數(shù)都和短錨索一致。頂板的金屬網(wǎng)選用由長(zhǎng)度分別為5.5 m、寬度分別為1.2 m 的鋼筋網(wǎng)和塑料網(wǎng)二者組合而成的雙層網(wǎng)對(duì)頂板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

巷幫選用?22 mm×2 400 mm 的錨桿加長(zhǎng)錨固，轉(zhuǎn)矩400 N·m；使用W鋼護(hù)板、高強(qiáng)度拱形護(hù)板輔助錨桿支護(hù)，選擇規(guī)格為3.5 m×1.2 m（長(zhǎng)×寬）的菱形網(wǎng)作為網(wǎng)片，間排距為900 mm×1 000 mm。

4.2 圍巖變形監(jiān)測(cè)

支護(hù)完成后，對(duì)巷道圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在距離工作面開切眼100 m、200 m 的位置增設(shè)頂板離層儀，在距頂板4 m 處設(shè)置淺部基點(diǎn)，用LBY—3 頂板離層儀監(jiān)測(cè)短錨索支護(hù)區(qū)離層值，7 m 處設(shè)置深部基點(diǎn)，監(jiān)測(cè)短錨索、長(zhǎng)錨索支護(hù)區(qū)離層值。在同樣的兩處位置增設(shè)巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，采用十字布點(diǎn)法，在頂?shù)装搴蛢蓭途O(shè)置0.4 m的木樁，并依次設(shè)置上彎形測(cè)定釘、測(cè)定繩。因此，圍巖巖層的變形量就可以依靠測(cè)定繩來(lái)獲取。

圖8 為頂板離層儀監(jiān)測(cè)情況，從圖8 可以發(fā)現(xiàn)：100 m 處的監(jiān)測(cè)數(shù)值，淺部離層最大值16 mm，深部11 mm；200 m 處的離層最大值分別為淺部29 mm、深部10 mm。以上數(shù)據(jù)表明巷道頂板淺部和深部的離層值都相對(duì)較小，巷道圍巖保持了較好的穩(wěn)定性。

圖8 頂板離層監(jiān)測(cè)曲線

同時(shí)借助鉆孔窺視儀觀測(cè)巷道頂板，鉆孔內(nèi)處于煤巖分界面區(qū)域的孔壁幾乎未發(fā)生較大的剪切變形量，表面巷道頂板保持良好的完整性，基本與頂板離層儀觀測(cè)情況一致。

圖9 為巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線，從圖9 可以發(fā)現(xiàn)：100 m、200 m 處的監(jiān)測(cè)數(shù)值，巷道頂板下沉量最大值分別是29 mm、41 mm，分別占巷道最初高度為0.9%、1.3%，兩幫移近量最大值各是58 mm、76 mm，占巷道最初寬度的1.2%、1.6%。二者數(shù)據(jù)對(duì)比看出，各項(xiàng)指標(biāo)無(wú)太大變化，圍巖較完

圖9 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線

5 結(jié)論

1）影響巷道穩(wěn)定性主要集中在淺部巖層，其離層現(xiàn)象較顯著；錨桿設(shè)在頂角和頂板兩側(cè)，于煤巖分界面發(fā)生顯著剪切變形；設(shè)在頂板中間，煤巖分界面變形較小，但處于弱膠結(jié)巖層和錨桿錨固段與自由段分界面的變形較大；從巷道掘進(jìn)初期至掘進(jìn)完成后，頂板巖層經(jīng)歷原巖——穩(wěn)定——臨界失穩(wěn)——失穩(wěn)四個(gè)狀態(tài)過程。

2）通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，無(wú)預(yù)緊力或預(yù)緊力較小時(shí)，錨桿不能充分支護(hù)頂板，淺部離層較多；隨著預(yù)緊力升高，頂板的離層量、下沉量不斷下降。高預(yù)應(yīng)力錨桿明顯增強(qiáng)了圍巖的自承載能力，具有良好的主動(dòng)支護(hù)作用。

3）按照模擬結(jié)果，在德順煤業(yè)11106 工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，采用長(zhǎng)短錨索相結(jié)合的支護(hù)方式并進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，淺部、深部離層值均很小，頂板下沉量、兩幫移近量變化較小，表明該支護(hù)方式可以較好地保持巷道圍巖的穩(wěn)定性與完整性。