李中偉

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

煤系地層多為沉積巖和層狀地層，復(fù)合頂板是煤礦巷道常見(jiàn)的頂板結(jié)構(gòu)之一，各煤巖層之間的物理力學(xué)性質(zhì)差別大，各煤巖層之間容易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、離層等有害變形，由于煤巖層特性對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力傳遞規(guī)律影響較大，復(fù)合頂板中錨桿預(yù)應(yīng)力傳遞效果遠(yuǎn)低于單一巖層，復(fù)合頂板巷道支護(hù)難度較大，專家學(xué)者對(duì)復(fù)合頂板巷道支護(hù)難題進(jìn)行了研究，針對(duì)軟弱夾層頂板、軟硬互層頂板等不同條件的復(fù)合頂板巷道，提出了巷道支護(hù)技術(shù)[1-5]。當(dāng)工作面采空后，會(huì)在側(cè)向形成應(yīng)力集中區(qū)，在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道會(huì)導(dǎo)致巷道支護(hù)難度加大，專家學(xué)者對(duì)應(yīng)力集中區(qū)巷道支護(hù)提出了高預(yù)緊力強(qiáng)力支護(hù)等圍巖控制技術(shù)[6-15]。三交河煤礦11-1052巷頂板有多層厚度變化較大的軟弱煤巖層，且和上個(gè)工作面采空區(qū)間凈煤柱為16m，處于上個(gè)工作面采空區(qū)的應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，巷道支護(hù)難度較大，目前對(duì)于該類型巷道的圍巖控制技術(shù)研究較少。本文探測(cè)三交河礦11-1052巷頂板煤巖層的分層厚度和裂隙發(fā)育情況，數(shù)值模擬分析了臨近工作面采空后巷道圍巖的應(yīng)力分布情況，提出復(fù)合頂板應(yīng)力集中區(qū)巷道圍巖控制技術(shù)，并進(jìn)行了支護(hù)方案設(shè)計(jì)和井下試驗(yàn)，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果表明該支護(hù)技術(shù)能夠滿足三交河煤礦復(fù)合頂板應(yīng)力集中區(qū)巷道圍巖控制的需求。

1 工程概況

三交河礦11-1052巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1514m，為矩形斷面，掘?qū)?.5m，掘高3m。沿11#煤層頂板掘進(jìn)，從掘進(jìn)開(kāi)始到回采結(jié)束，服務(wù)21個(gè)月。11-1052巷井下位于+850水平南翼，其東側(cè)、南側(cè)為實(shí)體煤，北端為下組煤大巷，西側(cè)為10-001工作面采空區(qū)。10-001工作面2016年回采結(jié)束，10-001工作面采空區(qū)與11-1052巷凈煤柱16m。上部為原三交河2#煤層采空區(qū)，工作面與上組煤采空區(qū)層間距94～118m。11-1052巷布置情況如圖1所示。

圖1 11-1052巷布置

11-1052巷地面標(biāo)高+1123～+1208m，井下標(biāo)高+866～+942m。11#煤平均厚度2.9m，黑色，硬度較高，f=2，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度穩(wěn)定，直接頂以泥巖、砂巖為主。

2 巷道頂板煤巖層探測(cè)及側(cè)向支承應(yīng)力分析

2.1 頂板煤巖體探測(cè)

在11-1052巷14#導(dǎo)線點(diǎn)前28.5m、59m和16#導(dǎo)線點(diǎn)前23m、53m，采用YJC90/360礦用鉆孔測(cè)井分析儀進(jìn)行了頂板圍巖探測(cè)，測(cè)試結(jié)果顯示：

1)1#孔完整性較好裂隙不發(fā)育，0～0.8m為泥巖，0.8～1.9m為煤，1.9～4.3m為泥巖，4.3～14.3m為砂巖。

2)2#孔完整性較好裂隙不發(fā)育，0～1.8m為泥巖，1.8～3.6m為煤，3.6～7m為泥巖，7～11.8m為砂巖，11.8～13.8m為軟泥巖且有多處煤線，13.7～14.4m為煤。

3)3#孔完整性較好裂隙不發(fā)育，0～2m為泥巖，2～3.8m為煤，3.8～6m為泥巖，6～9.1m為砂巖，9.1～10.9m為軟泥巖且有多處煤線，10.9～15.2m為砂巖。

4)4#孔完整性較好裂隙不發(fā)育，0～3.5m為泥巖，3.5～5.4m為煤，5.4～8.3m為軟泥巖且有多處煤線，8.3～15.3m為砂巖。

從11-1052巷長(zhǎng)度不足200m范圍內(nèi)探測(cè)結(jié)果分析，頂板泥巖的厚度0.8～3.5m，頂板10#煤層厚度1.1～1.9m，煤巖體厚度變化大，多數(shù)鉆孔直接頂泥巖的巖性軟弱，導(dǎo)致巷道圍巖控制困難。

2.2 側(cè)向支承應(yīng)力分布情況

依據(jù)地質(zhì)生產(chǎn)資料，建立FLAC3D數(shù)值模型，分析10-001工作面采空后側(cè)向支承應(yīng)力分布情況，模型長(zhǎng)300m、寬200m、高40m，在建模過(guò)程中嚴(yán)格按照地質(zhì)剖面圖的尺寸，三維模型的邊界條件為：上部為自由邊界，四周和底部鉸支。煤巖體賦值參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖體賦值參數(shù)表

10-001工作面采空后側(cè)向支承應(yīng)力分布情況如圖2、圖3所示，從圖中可以看出，10-001工作面采空后側(cè)向支承應(yīng)力峰值位于距采空區(qū)邊緣3.3m處，應(yīng)力值為31.74MPa，原巖應(yīng)力為7.14MPa，應(yīng)力集中系數(shù)4.45；11-1052巷距采空區(qū)16m，應(yīng)力值10.68MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.49，應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)較高。

圖2 10-001工作面采空后側(cè)向支承應(yīng)力分布情況

圖3 10-001工作面采空后側(cè)向支承應(yīng)力分布曲線

3 巷道圍巖控制技術(shù)

依據(jù)地質(zhì)資料、頂板煤巖層探測(cè)結(jié)果和側(cè)向應(yīng)力變化分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有錨桿錨索支護(hù)技術(shù)研究成果，提出復(fù)合頂板應(yīng)力集中區(qū)巷道圍巖控制技術(shù)。

1)采用以錨桿支護(hù)為主、錨索支護(hù)為補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)體系，同時(shí)提高錨桿、錨索的預(yù)緊力，把厚度小、強(qiáng)度低的復(fù)合頂板加固為厚度大、抗變形能力強(qiáng)的類剛性結(jié)構(gòu)頂板，提高巷道頂板的抗變形能力。

2)提高頂板錨桿支護(hù)構(gòu)件的強(qiáng)度和護(hù)表能力，通過(guò)錨桿支護(hù)構(gòu)件，把錨桿的預(yù)緊力和工作阻力更好的擴(kuò)散到巷道頂板圍巖表面，提高錨桿支護(hù)效果，充分發(fā)揮錨桿的支護(hù)能力。

3)由于側(cè)向支承應(yīng)力集中程度較高，且側(cè)向支承應(yīng)力主要影響巷道兩幫的變形，需要加強(qiáng)幫部護(hù)表構(gòu)件的強(qiáng)度，減少幫部煤體在側(cè)向支承應(yīng)力的作用下發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致巷道頂板發(fā)生破壞。

4)10#煤層含硫較高，錨索需要穿過(guò)10#煤層，考慮腐蝕影響，采用直徑較粗的錨索，同時(shí)加長(zhǎng)錨索的錨固長(zhǎng)度。

4 巷道支護(hù)方案

4.1 支護(hù)設(shè)計(jì)方案

4.1.1 頂板支護(hù)

巷道頂板錨桿桿體為?20mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2.5m，鋼材屈服強(qiáng)度為335MPa，螺紋長(zhǎng)度150mm。鉆頭直徑為28mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用一支規(guī)格為CKb2340，另一支規(guī)格為Z2388的錨固劑。采用高強(qiáng)度方形帶拱托盤，規(guī)格為150mm×150mm×8mm，力學(xué)性能與桿體相匹配，配調(diào)心球墊和減摩墊圈。采用厚度3mm、寬280mm、長(zhǎng)度4300mm、孔間距1000mm的W鋼帶作為錨桿配套構(gòu)件。采用8#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格50mm×50mm，網(wǎng)片規(guī)格4700mm×1200mm。錨桿排距1100mm，每排5根錨桿，間距1000mm。錨索材料為?21.6mm，17股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度6.3m，鉆頭直徑為30mm，采用一支CKb2340和兩支Z2388樹(shù)脂錨固劑，呈“二·二”布置，排距2200mm，間距1800mm。用300mm×300mm×14mm高強(qiáng)度方形帶拱托盤，配調(diào)心球墊。錨索初始張拉至200kN。

4.1.2 巷幫支護(hù)

巷幫錨桿桿體為?20mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，鋼材屈服強(qiáng)度為335MPa，長(zhǎng)度2.0m，螺紋長(zhǎng)度150mm。鉆頭直徑為28mm，樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用一支規(guī)格為Z2388的錨固劑。采用高強(qiáng)度方形帶拱托盤，規(guī)格為150mm×150mm×8mm，力學(xué)性能與桿體相匹配，配調(diào)心球墊和減摩墊圈。采用鋼筋托梁聯(lián)接錨桿，用直徑12mm的鋼筋焊接而成，托梁寬度為80mm，長(zhǎng)度為2600mm，錨桿孔中心間距為1200mm。采用?4mm的鋼筋網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)孔規(guī)格為100mm×100mm，網(wǎng)片規(guī)格為1100mm×2200mm。錨桿排距1200mm，每排每幫3根錨桿，間距1200mm。

頂幫錨桿預(yù)緊扭矩均不低于280N·m，且垂直頂板和幫部打設(shè)。錨桿錨索支護(hù)如圖4所示。

圖4 錨桿錨索支護(hù)(mm)

4.2 支護(hù)效果分析

4.2.1 巷道表面位移監(jiān)測(cè)

在巷道掘進(jìn)100m后，對(duì)巷道的頂板下沉量和兩幫移近量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖5所示，從圖5中可以看出：巷道頂板下沉量35mm，兩幫移近量37mm，頂板下沉量在距迎頭45m時(shí)基本保持穩(wěn)定，兩幫移近量在距迎頭50m時(shí)基本保持穩(wěn)定；巷道圍巖變形量不大，但是變形持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

圖5 巷道表面位移變化曲線

4.2.2 錨桿及錨索受力分析

在施工巷道安裝10組錨桿測(cè)力計(jì)，6組錨索測(cè)力計(jì)，錨桿、錨索受力變化情況分別見(jiàn)表2、表3。由表2、表3可知，錨桿預(yù)緊力均值54.6kN，錨桿最大受力103kN；錨索預(yù)緊力均值101.5kN，錨索最大受力259N。錨桿測(cè)力計(jì)受力穩(wěn)定后與安裝初始值相比變化量為0～52.3kN；錨索測(cè)力計(jì)受力穩(wěn)定后與安裝初始值相比變化量為0～198kN。從錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，對(duì)錨桿錨索施加較高的預(yù)緊力后，多數(shù)錨桿錨索的受力變化不大，錨索錨索支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

表2 錨桿受力變化情況 kN

表3 錨索受力變化情況 kN

綜上分析，通過(guò)巷道表面位移和錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在高預(yù)緊力強(qiáng)護(hù)表構(gòu)件支護(hù)后，巷道頂板形成類剛性結(jié)構(gòu)頂板，巷道圍巖變形量小，錨桿-圍巖支護(hù)承載體系穩(wěn)定性好。

5 結(jié) 論

1)三交河煤礦11-1052巷道頂板煤巖層探測(cè)結(jié)果表明，巷道頂板泥巖的厚度0.8～3.5m，頂板10#煤層厚度1.1～1.9m，煤巖體厚度變化大，且直接頂板泥巖巖性軟弱，導(dǎo)致巷道圍巖控制困難。10-001工作面采空后，距采空區(qū)邊緣16m處側(cè)向支承應(yīng)力值10.68MPa，應(yīng)力集中系數(shù)1.49，應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)較高。

2)三交河煤礦11-1052巷道采用以錨桿支護(hù)為主、錨索支護(hù)為補(bǔ)強(qiáng)的支護(hù)體系，提高頂板錨桿支護(hù)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，加強(qiáng)幫部護(hù)表構(gòu)件的強(qiáng)度，把厚度小、強(qiáng)度低的復(fù)合頂板加固為厚度大、抗變形能力強(qiáng)的類剛性結(jié)構(gòu)頂板。并在井下進(jìn)行了巷道支護(hù)方案試驗(yàn)，巷道表面位移和錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，巷道圍巖變形量小，錨桿-圍巖支護(hù)承載體系穩(wěn)定性好。該支護(hù)技術(shù)能夠滿足三交河煤礦復(fù)合頂板應(yīng)力集中區(qū)巷道圍巖控制的需求。