王哲豪

(山西焦煤西山煤電集團股份有限公司西銘煤礦， 山西 太原 030000)

1 工程概況

西銘煤礦是山西焦煤集團一個特大型現(xiàn)代化煤礦，年產(chǎn)360萬t?，F(xiàn)掘進48707工作面，地面標(biāo)高1 256～1 485m，工作面標(biāo)高1 014～1 052m。該掘進工作面所掘8#煤層節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層中上部夾一層0.60～3.50m的泥巖或砂質(zhì)泥巖，平均2.40m；下部夾石為0.30m的頁巖或炭質(zhì)頁巖。8#煤上分層厚度0.55～0.70m，平均0.60m；下分層厚度2.84～3.40m，平均3.10m。48707工作面頂?shù)装鍘r層狀況見表1。

2 復(fù)合頂板聯(lián)合支護

復(fù)合頂板的變形破壞過程中首先破壞的部位，稱為關(guān)鍵部位。關(guān)鍵部位的產(chǎn)生是圍巖塑性大變形的力學(xué)標(biāo)志，產(chǎn)生的原因是圍巖大變形過程中，由于支護體與圍巖變形不協(xié)調(diào)而引起的關(guān)鍵部位的變形[1-3]。

圖1中1是關(guān)鍵部位未支護圍巖變形特征；2、3是關(guān)鍵部位圍巖支護不耦合的變形特征；4是圍巖支護耦合的穩(wěn)定變形特征。

工程實踐表明，對于深部巷道工程，無論是新開、還是實施了多次支護的翻修工程，其破壞總是從某一個或幾個部位開始變形，進而導(dǎo)致整個支護系統(tǒng)的失穩(wěn)[4]。通過相似模擬實驗發(fā)現(xiàn)復(fù)合頂板的破壞形式主要為層狀頂部巖體冒落及底角巖體破裂，對物理模型進行適當(dāng)簡化處理，巷道斷面為正方形，復(fù)合頂板模型破壞形式如圖2所示[5-7]。

表1 48707工作面頂?shù)装鍘r層狀況

圖1 頂板變形曲線

圖2 復(fù)合頂板模型破壞形式

室內(nèi)相似模擬試驗結(jié)果顯示，復(fù)合頂板的破壞模式為頂板層狀塌落(B區(qū)域)，底板底鼓，巷道兩幫與底板相交位置發(fā)生片落和塑性變形區(qū)(A、C區(qū)域)。通常采用的錨噴網(wǎng)支護方式對巷道頂板淺層(2～3m)范圍內(nèi)的巖層變形能都提供良好的支護效果，但對于復(fù)合頂板層狀巖層，頂板變形量大，影響范圍廣，為了提高巷道穩(wěn)定性，結(jié)合錨索對頂板深部巖層進行錨固，根據(jù)模擬試驗結(jié)果，底角位置巖層發(fā)生片落和大變形，通常的錨桿支護不能有效防護底角位置巖體，因此采用底角錨桿聯(lián)合支護的方式對此巷道進行支護。

深部巷道圍巖由于塑性大變形而產(chǎn)生的變形不協(xié)調(diào)部位，通過支護的耦合而使其變形協(xié)調(diào)，從而限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷，實現(xiàn)支護一體化、荷載均勻化，達(dá)到復(fù)合頂板巷道穩(wěn)定的目的。

巷道寬5 700mm，錨桿直徑22mm，長度3 000mm，間距800mm，排距800mm，錨索直徑15.24mm，長度6 000mm，間距800mm，排距800mm。底角錨桿直徑48mm，長度3 700mm，間距1 600mm，排距1 600mm。利用FLAC3D建立相應(yīng)數(shù)值模型，模型如圖3所示。

圖3 錨噴網(wǎng)+錨索+底角錨桿支護數(shù)值模型

圖4、圖5所示分別為錨噴網(wǎng)+錨索+底角錨桿支護巷道頂?shù)装逅椒较?、豎直方向位移圖。通過數(shù)值模擬分析可以看出，支護后的復(fù)合頂板水平最大位移量3.815cm，豎直最大位移量3.815cm，位移量小，巷道形狀保持穩(wěn)定，錨噴網(wǎng)+錨索+底角錨桿聯(lián)合支護方式對層狀巖體的支護效果明顯，改善了單一支護巷道變形量大，二次支護成本高、效率低的弊端，為礦山安全、順利進行生產(chǎn)提供了保障。

圖4 錨噴網(wǎng)+錨索+底角錨桿支護巷道頂?shù)装逅椒较蛭灰茍D

圖5 錨噴網(wǎng)+錨索+底角錨桿支護巷道頂?shù)装遑Q直方向位移圖

3 結(jié)論

巷道頂板冒落是煤礦井下事故主要形式之一，頂板控制對于井下安全生產(chǎn)至關(guān)重要。通過相似模擬試驗分析得到復(fù)合頂板巷道變形破壞的關(guān)鍵部位為頂部位置和底角位置，以此提出了錨噴網(wǎng)+錨索+底角錨桿聯(lián)合支護方式，對變形大的頂板和底角位置加大支護強度，分別安裝錨索和大直徑錨桿。數(shù)值模擬結(jié)果顯示巷道頂板和兩幫變形量均控制在3.8cm，巷道穩(wěn)定性提高，巷道形狀保持穩(wěn)定，為礦山生產(chǎn)提供了安全保障。