張書龍

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030200）

鎮(zhèn)城底礦28105運(yùn)輸順槽地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，平均傾角36°，巷道頂板松軟，采用原支護(hù)方式存在巷道圍巖變形量大、支護(hù)效果差、支護(hù)成本高等問題。結(jié)合礦井實(shí)際條件，理論計(jì)算確定巷道支護(hù)參數(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 概況

鎮(zhèn)城底礦隸屬于山西焦煤集團(tuán)，井田位于西山煤田的西北邊緣，核定生產(chǎn)能力190萬t/a，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，全區(qū)以斷裂構(gòu)造為主，部分區(qū)域陷落柱較發(fā)育。28105綜采工作面水平標(biāo)高-580m，位于二盤區(qū)。28105綜采工作面南鄰采區(qū)下山煤柱，北鄰工業(yè)廣場保護(hù)煤柱，東接28108工作面。28105綜采工作面所采煤層為8#煤層，煤層平均厚度約為1.58m，煤層傾角15°～43°，平均傾角為36°。工作面煤層頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 28105綜采工作面頂?shù)装鍘r性柱狀圖

2 大傾角復(fù)合頂板巷道破壞特征及機(jī)理分析

2.1 大傾角復(fù)合頂板巷道破壞特征

28105運(yùn)輸順槽斷面為直角梯形，巷道開挖后，復(fù)合頂板在上覆巖層載荷作用下發(fā)生離層彎曲冒落，進(jìn)而使巷道兩幫及底板向巷道空間內(nèi)擠壓凸出變形。28105運(yùn)輸順槽圍巖變形素描如圖2所示。

圖2 28105運(yùn)輸順槽圍巖變形素描圖

巷道變形破壞呈現(xiàn)如下3個特點(diǎn)：

（1）巷道變形呈現(xiàn)非對稱性特征。由于開挖巷道存在一定的傾角，且頂板具有復(fù)合特性，使得復(fù)合頂板在受沿煤層傾角的分力作用下發(fā)生離層現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道頂板整體穩(wěn)定性下降，出現(xiàn)頂板冒落特征。其中靠近巷道上肩角位置處冒落區(qū)域較大。此外，巷道兩幫及底板受頂板擾動影響發(fā)生形變，兩幫形變量最大處位于中下部，靠近下幫處底板底鼓量明顯。

（2）頂板變形量大于巷幫及底板。根據(jù)28105運(yùn)輸順槽成巷圍巖位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，遠(yuǎn)離回采工作面150m之外，巷道頂板冒頂區(qū)域最大冒頂高度為2150mm，而巷道兩幫及底板最大形變量分別為960mm、1640mm。

（3）巷道底鼓具有區(qū)域性變化規(guī)律。受工作面采動影響，巷道底鼓劇烈，在超前工作面150m處巷道底鼓量急劇增加，最大底鼓量可達(dá)到近2420mm，嚴(yán)重影響巷道正常使用。

2.2 大傾角復(fù)合頂板巷道破壞機(jī)理分析

大傾角復(fù)合頂板巷道與巖層間的特殊位置關(guān)系導(dǎo)致頂板巖層與水平方向存在很大的夾角，故而導(dǎo)致巷道頂板不僅受垂直向下的分力影響，還受沿煤層傾角的分力作用，巷道頂板受力復(fù)雜。此外，復(fù)合頂板巖層厚度較小，巖層間存在弱結(jié)構(gòu)面，不僅導(dǎo)致復(fù)合頂板巖層間粘結(jié)力較弱，而且裂隙較為發(fā)育。當(dāng)巷道開挖后，頂板大面積裸露，復(fù)合頂板巖層受到擾動，巖層間裂隙再度發(fā)育，出現(xiàn)離層現(xiàn)象，如圖3所示，易形成冒落“三角拱”。隨著頂板進(jìn)一步破壞，巷道圍巖應(yīng)力逐漸向巷道兩幫轉(zhuǎn)移，由于巷道傾角的存在，導(dǎo)致兩幫應(yīng)力集中呈現(xiàn)非對稱性特征。故而巷道兩幫圍巖變形破壞呈現(xiàn)非對稱性特征，其中靠近肩角處兩幫變形最為嚴(yán)重。巷道頂板及兩幫的變形破壞，致使巷道斷面圍巖整體性降低，底板隨之發(fā)生底鼓現(xiàn)象。

圖3 巷道復(fù)合頂板離層示意圖

3 大傾角復(fù)合頂板巷道控制技術(shù)

3.1 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)28105運(yùn)輸順槽工況，采用錨桿、錨索進(jìn)行巷道支護(hù)，采用理論計(jì)算方法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

（1）錨桿長度計(jì)算

巷道頂板錨桿長度為La，其理論長度如式（1）所示：

式中：

L1-錨桿外露端長度，取0.1m；

L2-錨桿有效作用長度，其值根據(jù)工作面頂?shù)装鍘r性柱狀圖給出，取1.8m；

L3-錨入穩(wěn)定巖層的錨桿長度，取0.4m。

頂板錨桿理論計(jì)算結(jié)果為2.3m，考慮到錨桿選型方便，最終確定La=2.4m。

巷道幫部錨桿長度為Lb，其理論長度如式（2）所示：

式中：

L1'-巷幫兩側(cè)承載區(qū)寬度，取1.8m；

L2'-錨桿外露端長度，取0.1m；

L3'-錨入穩(wěn)定巖層的錨桿長度，取0.5m。

經(jīng)過計(jì)算確定，頂板錨桿與幫部錨桿長度相同，即La=Lb=2.4m。

（2）錨桿間排距計(jì)算

錨桿間距為D1，其理論長度如式（3）所示：

式中：

K-錨固方式系數(shù)，取1.1；

I-錨固區(qū)圍巖完整性系數(shù)，根據(jù)圍巖破壞程度取0.8；

f-圍巖普氏系數(shù)，取2。

錨桿間距理論計(jì)算結(jié)果約為0.7m，考慮到現(xiàn)場施工，最終確定D1=0.8m。

錨桿排距為D2，其理論長度如式（4）所示：

經(jīng)過計(jì)算確定，錨桿排距約為D2=0.9m。

（3）錨桿直徑計(jì)算

錨桿直徑為D，其理論直徑如式（5）所示：

式中：

Q-錨桿錨固力，取80kN；

σt-錨桿抗拉強(qiáng)度，經(jīng)驗(yàn)取值250MPa。

經(jīng)過計(jì)算確定，錨桿直徑約為15.92mm，結(jié)合錨桿生產(chǎn)規(guī)格，最終確定D=20mm。

（4）錨索長度計(jì)算

錨索長度為Lc，其理論直徑如式（6）所示：

式中：

La'-錨索深入穩(wěn)定層錨固長度，取1.9；

Lb'-懸吊不穩(wěn)定巖層厚度，取3m；

Lc'-上托盤及錨具厚度，取0.2；

Ld'-需要外露的張拉長度，取0.35m。

錨索長度理論計(jì)算結(jié)果約為5.45m，考慮到現(xiàn)場巷道復(fù)合頂板易離層冒落，最終確定Lc=6.3m。此外根據(jù)28105運(yùn)輸順槽地質(zhì)工況，確定錨索間排距為1500mm×900mm。

3.2 支護(hù)材料選型及設(shè)計(jì)

根據(jù)3.1確定的巷道支護(hù)參數(shù)，進(jìn)行支護(hù)材料選型。其中錨桿、錨索及金屬網(wǎng)如下所示：

（1）錨桿。錨桿選取型號為GM20/2400-490的高強(qiáng)錨桿。頂板錨桿間排距為900mm×900mm，兩幫錨桿間排距為800mm×900mm。托盤型號：TPM150×150/10，巖層及煤層錨桿錨固力分別為80kN和60kN。

（2）錨索。錨索選取型號為YMS17.8/6.3-1860的高強(qiáng)錨索。間排距為1500mm×900mm。托盤型號：TPM200×200/10，預(yù)緊力80～100kN，錨固力不小于200kN。

（3） 金 屬 網(wǎng)。 頂 板 選 取 長 × 寬=2500mm×1000mm鋼筋網(wǎng)，幫部選取長×寬=1900mm×1000mm鋼筋網(wǎng)。

由2.1節(jié)巷道變形破壞特征可知，大傾角復(fù)合頂板巷道上隅角、下幫及上幫靠近頂板部位易破壞，故應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 28105運(yùn)輸順槽巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖

3.3 現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)

采用3.2節(jié)給出的大傾角復(fù)合頂板巷道支護(hù)設(shè)計(jì)對28105運(yùn)輸順槽300m的試驗(yàn)段進(jìn)行支護(hù)，同時對巷道頂?shù)装寮皟蓭瓦M(jìn)行了為期200d的位移監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 28105運(yùn)輸順槽試驗(yàn)段圍巖位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

由圖5可知，在觀測期內(nèi)28105運(yùn)輸順槽底板變形量最大，上幫次之，頂板最小。在前50d之內(nèi)，巷道頂板、上幫圍巖變形較為劇烈，說明巷道圍巖應(yīng)力主要作用于該部位；100d到175d之內(nèi)，巷道底板和下幫圍巖變形速度急劇增加，說明巷道圍巖應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，印證了大傾角巷道圍巖受力不均勻特性，圍巖呈現(xiàn)非對稱性破壞特征。

4 結(jié)論

（1）大傾角復(fù)合頂板巷道圍巖變形呈現(xiàn)非對稱性特征，復(fù)合頂板在受沿煤層傾角的分力作用下易發(fā)生離層現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道頂板整體穩(wěn)定性下降，進(jìn)而引起巷道兩幫及底板向巷道空間內(nèi)擠壓變形。

（2）針對大傾角復(fù)合頂板巷道圍巖變形特征，依據(jù)理論計(jì)算方法進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)并進(jìn)行了材料選型，同時進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，巷道圍巖得到有效控制。