汪 超，陳朋磊，劉歡歡

(1.河南能源化工集團(tuán) 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600； 2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

高應(yīng)力大斷面巨厚泥巖頂板的支護(hù)一直是巷道支護(hù)的難題，頂板滲水給巷道支護(hù)也帶來諸多困難，泥巖滲水頂板巷道支護(hù)難度就更顯得尤為突出。國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行大量的研究，文獻(xiàn)[1]對厚層泥巖頂板大斷面煤巷支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用研究，研究表明，巷道掘進(jìn)期間圍巖變形小，控制效果好，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定；文獻(xiàn)[2]研究了巨厚煤層頂板大斷面采動(dòng)煤巷圍巖控制技術(shù)，利用差分軟件FLAC模擬研究巨厚頂煤條件下錨桿典型支護(hù)參數(shù)，得出巨厚煤層頂板大斷面試驗(yàn)煤巷圍巖控制新方案，對類似條件工程的支護(hù)技術(shù)具有一定借鑒價(jià)值。鑒于此，車集煤礦2609運(yùn)輸巷(膠帶巷)兩幫移近量大，錨桿錨索有被拉斷現(xiàn)象，巷道變形和底鼓并未停止，斷面收縮非常明顯，多數(shù)地段還要割底、架棚，嚴(yán)重影響了開拓延伸工程的正常進(jìn)行。這不僅增大了支護(hù)費(fèi)用和管理費(fèi)用，而且嚴(yán)重影響了礦井生產(chǎn)及采區(qū)的正常接替。根據(jù)該巷道巨厚泥巖滲水頂板的變形特點(diǎn)，應(yīng)用梯次支護(hù)原理，通過數(shù)值模擬，在高性能錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，探索新的加強(qiáng)技術(shù)，解決深部煤巷支護(hù)難題，為車集煤礦深部順利開采創(chuàng)造條件，提供技術(shù)支撐；采用滲水段先導(dǎo)排頂板水，再安裝頂板錨索，注漿，解決滲水巨厚泥巖的支護(hù)技術(shù)難題，節(jié)約了支護(hù)成本，降低了巷道的返修率，提高了煤巷掘進(jìn)速度。至2011年12月14日共掘進(jìn)巷道570 m，施工過程中巷道經(jīng)歷了多處斷層、滲水及破碎頂板區(qū)。礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，采用高預(yù)應(yīng)力錨桿索為基礎(chǔ)的梯次支護(hù)技術(shù)進(jìn)行巷道支護(hù)后，2609運(yùn)輸巷維護(hù)狀況良好，保證了工作面安全生產(chǎn)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 巷道梯次支護(hù)技術(shù)原理

1.1 巨厚泥巖滲水頂板巷道梯次支護(hù)原理

(1)巨厚泥巖滲水頂板巷道梯次支護(hù)原理[3-6]。巷道梯次支護(hù)技術(shù)如圖1所示。

圖1 巷道梯次支護(hù)技術(shù)Fig.1 Tunnel cascade supporting technology

(2)“類剛性梁”結(jié)構(gòu)生成[7-9]。梯次支護(hù)首先通過短錨桿錨固直接頂及其上方若干巖層形成組合梁巖體，再通過短錨索將回采巷道頂板上方較厚有微小變形的巖層與組合梁巖體錨固在一起，形成加強(qiáng)梁，再通過長錨索，將加強(qiáng)梁與其上方穩(wěn)固巖層錨固，形成“類剛性梁”結(jié)構(gòu)。所謂“類剛性梁”是指：通過高預(yù)拉力錨桿、錨索建立剛性梁頂板，當(dāng)錨桿錨索的預(yù)拉力足夠大時(shí)，在巷道上方形成足夠厚、錨固范圍內(nèi)離層足夠小的頂板結(jié)構(gòu)?！邦悇傂粤骸比鐖D2所示。

圖2 “類剛性梁”示意Fig.2 "Like rigid beam" schematic

1.2 梯次支護(hù)的力學(xué)機(jī)理

厚層復(fù)合頂板巷道圍巖梯次支護(hù)力學(xué)模型[10-12]如圖3所示。

圖3 梯次支護(hù)力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of cascade supporting

2 試驗(yàn)巷道圍巖控制方案及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 模型建立

2609運(yùn)輸巷斷面形狀為矩形，斷面尺寸為4.5 m×2.5 m(假定為最小值)，數(shù)值模擬模型[13-16]如圖4所示。

2.2 2609運(yùn)輸巷新支護(hù)方案模擬

2.2.1 錨桿參數(shù)的確定

根據(jù)礦方現(xiàn)在支護(hù)和巷道所處位置的實(shí)際情況，錨桿規(guī)格擬采取以下3種方案(表1)。全斷面錨桿支護(hù)，對3種不同規(guī)格的錨桿φ22 mm×(2.2、2.5、2.8 m)進(jìn)行模擬比較，擇優(yōu)選取支護(hù)效果較好的錨桿規(guī)格。不同錨桿長度下錨桿水平應(yīng)力分布如圖5所示。從水平與垂直應(yīng)力分布中可以看出，長2.5 m的錨桿與長2.8 m的錨桿效果差不多，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，故采用長2.5 m的錨桿。

圖4 2609運(yùn)輸巷模擬模型Fig.4 2609 down lane simulation model

表1 數(shù)值模擬比較方案Tab.1 Numerical simulation comparison scheme

圖5 不同錨桿長度下錨桿水平應(yīng)力分布Fig.5 Horizontal stress distribution of anchor rod under different anchor rod length

2.2.2 錨索參數(shù)的確定

全斷面錨桿支護(hù)基礎(chǔ)上，采用錨索補(bǔ)強(qiáng)，對3種不同規(guī)格的錨索φ18.9 mm×(6.5、7.5、 8.5 m)進(jìn)行模擬比較，擇優(yōu)選取支護(hù)效果較好的錨索規(guī)格。不同錨索長度運(yùn)輸巷道水平應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 不同錨索長度運(yùn)輸巷道水平應(yīng)力分布Fig.6 Horizontal stress distribution of roadway under different anchor cable lengths

通過比較可以看出，施加錨索支護(hù)后與施加前巷道圍巖應(yīng)力分布有明顯不同，主要表現(xiàn)在施加錨索支護(hù)后，剪應(yīng)力明顯向巷道深部圍巖延伸、擴(kuò)張，應(yīng)力集中程度相對減小，在巷道圍巖深部巖體也承擔(dān)了淺部圍巖的支護(hù)荷載，從而減小了巷道的變形量。同時(shí)，巷道開挖后，圍巖強(qiáng)度由圍巖表面向深部逐漸增大到原巖強(qiáng)度，通過錨索作用，調(diào)動(dòng)了巷道深部圍巖的強(qiáng)度，從而達(dá)到了對淺部圍巖的支護(hù)效果。3種錨索規(guī)格相比較，長7.5 m、8.5 m錨索較長6.5 m的效果要好，這是由于松動(dòng)圈范圍較大，而長6.5 m錨索所處穩(wěn)定巖層較短，故沒能充分調(diào)動(dòng)深部圍巖強(qiáng)度，而另外兩種效果相差甚微，故從經(jīng)濟(jì)的角度考慮的話，采用長7.5 m的錨索。不同規(guī)格錨索補(bǔ)強(qiáng)巷道圍巖位移量見表2。

表2 不同規(guī)格錨索補(bǔ)強(qiáng)巷道圍巖位移量Tab.2 Different specifications of anchor cables to reinforce the surrounding rock displacement of roadway

從水平與垂直應(yīng)力分布圖中可以看出，頂板與兩幫應(yīng)力集中有了很大的改善，應(yīng)力集中向四周轉(zhuǎn)移，兩幫支護(hù)強(qiáng)度的進(jìn)一步加強(qiáng)，應(yīng)力集中繼續(xù)向深部轉(zhuǎn)移，集中也得到了分散，頂板與兩幫應(yīng)力的擴(kuò)散一定程度減小了底板的應(yīng)力集中，但是由于底板沒采取任何措施，底鼓量還是很大。

從表2中可以看出，巷道頂板與兩幫采取補(bǔ)強(qiáng)措施以后，頂板與兩幫圍巖向巷道的擠壓流動(dòng)得到進(jìn)一步遏制，頂板與兩幫的補(bǔ)強(qiáng)，底鼓量有所減小，說明加強(qiáng)頂板與兩幫支護(hù)對底鼓可以起到一定的作用，但是由于底板未進(jìn)行任何支護(hù)，底板位移趨勢還是很明顯。使用該方案后，圍巖移近量有所下降，說明使用該方案對圍巖的控制有效但不是太好。

綜上，根據(jù)模擬得出錨索選用規(guī)格為φ18.9 mm×7 500 mm的鋼絞線。

2.2.3 間排距的確定

以上錨桿錨索長度的確定都是在間排距800 mm×800 mm下進(jìn)行模擬的，對間排距采取以下措施進(jìn)行模擬：①錨索間排距不變，模擬時(shí)不與考慮；②錨桿長度以2.5 m進(jìn)行模擬；③錨桿的間排距分別以800 mm×800 mm、700 mm×700 mm兩種尺寸進(jìn)行模擬比較。

全斷面錨桿支護(hù)，對不同間排距支護(hù)800 mm×800 mm、700 mm×700 mm進(jìn)行模擬比較，擇優(yōu)選取支護(hù)效果較好的間排距。不同間排距運(yùn)輸巷道水平應(yīng)力分布如圖7所示。由圖7可以看出，全斷面采用700 mm×700 mm 間排距時(shí)，其錨桿對圍巖的支護(hù)效果要比間排距為800 mm×800 mm時(shí)好得多，應(yīng)力集中向四周轉(zhuǎn)移。經(jīng)過一段時(shí)間的變形積累，圍巖結(jié)構(gòu)的平衡趨于極限狀態(tài)，以塑性變形為主，由于塑性區(qū)的發(fā)展，圍巖將會(huì)出現(xiàn)碎脹變形，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，但是間排距為700 mm×700 mm時(shí)，巷幫的變形程度要比800 mm×800 mm好很多，故采用間排距為700 mm×700 mm。

圖7 不同間排距運(yùn)輸巷道水平應(yīng)力分布Fig.7 Horizontal stress distribution of roadway under different row spacing

不同間排距支護(hù)運(yùn)輸巷道圍巖位移量見表3。

表3 不同間排距支護(hù)運(yùn)輸巷道圍巖位移量Tab.3 Displacement of surrounding rock of roadway supported by different spacing

從表3中可以看出，巷道圍巖采取小間排距支護(hù)以后，圍巖向巷道擠壓流動(dòng)得到進(jìn)一步的遏制，但是圍巖松動(dòng)圈范圍較大，圍巖持續(xù)變形，圍巖補(bǔ)強(qiáng)以后，巷幫變形有所減小。使用該方案后，頂板移近量有所下降，說明使用該方案對圍巖的控制有效。但800 mm×800 mm時(shí)支護(hù)效果已基本滿足巷道維持到回采結(jié)束，所以不是在特殊地段無須用間排距700 mm×700 mm的支護(hù)方式。

綜上，根據(jù)模擬得出間排距應(yīng)為800 mm×800 mm時(shí)較為合理。

2.2.4 錨桿(索)支護(hù)強(qiáng)度校驗(yàn)

在巷道掘進(jìn)期間，基于在長7.5 m錨索和長2.5 m錨桿支護(hù)下，巷道的變形量基本控制在了允許變形的范圍內(nèi)，但2609工作面回采期間對巷道將產(chǎn)生二次采動(dòng)影響，對巷道的支護(hù)強(qiáng)度就提出了更高的要求。長7.5 m錨索和長2.5 m錨桿支護(hù)強(qiáng)度是否能達(dá)到要求，仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。通過比較可以看出，回采期間要比掘進(jìn)期間圍巖應(yīng)力大，主要表現(xiàn)在回采期間二次采動(dòng)影響，剪應(yīng)力向巷道圍巖延伸、擴(kuò)張，加大了淺部圍巖的支護(hù)荷載，故巷道的變形量會(huì)增加，但增加量并不是很大，在允許的巷道變形量以內(nèi)?？紤]到經(jīng)濟(jì)和實(shí)際支護(hù)效果之間的關(guān)系，認(rèn)為采用長7.5 m錨索和長2.5 m錨桿支護(hù)完全可以達(dá)到支護(hù)、運(yùn)輸和通風(fēng)要求。

從圖8和不同時(shí)期巷道圍巖位移量(表4)中可以看出，掘進(jìn)期間和回采期間巷道頂板與兩幫變形量都有不同程度的增加，頂板的變形量增加不大，說明頂部的支護(hù)強(qiáng)度已完全滿足了支護(hù)要求，兩幫的移近量和底鼓量都在巷道可控制的范圍以內(nèi)。從經(jīng)濟(jì)和安全兩發(fā)面考慮，無需再增加額外的投入。

綜上，長7.5 m錨索和長2.5 m錨桿聯(lián)合支護(hù)在回采期間能夠滿足支護(hù)，安全和通風(fēng)要求。

3 2609運(yùn)輸巷支護(hù)參數(shù)確定

煤層厚度取平均值2.5 m，傾角取平均值7°，巷道毛斷面寬4.6m，凈斷面寬4.3m，為了保證綜采設(shè)備運(yùn)輸暢通，運(yùn)輸巷中高要求凈高不低于2.5 m。2609運(yùn)輸巷斷面支護(hù)斷面如圖9所示。

圖8 回采期間水平和垂直應(yīng)力分布Fig.8 Horizontal and vertical stress distribution during stoping

表4 不同時(shí)期巷道圍巖位移量Tab.4 Displacement of surrounding rock of roadway in different periods

圖9 2609運(yùn)輸巷斷面支護(hù)斷面Fig.9 Section supporting section of 2609 haulage gateway

4 工業(yè)性試驗(yàn)

了解施工工藝是否合理、施工措施是否得到貫徹執(zhí)行、通過礦壓觀測判斷支護(hù)方案是否需要局部調(diào)整等，現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)是科研項(xiàng)目的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，系統(tǒng)地對2609運(yùn)輸巷掘進(jìn)和回采期間進(jìn)行了礦壓觀測，為巨厚泥巖滲水巷道研究積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

4.1 工程概況

工作面位于26膠帶下山以南，西為2607工作面采空區(qū)，東為2801工作面(未掘)，南至5斷層保護(hù)煤柱。該回采工作面地質(zhì)構(gòu)造條件較復(fù)雜，整個(gè)工作面煤層基本呈復(fù)式褶曲構(gòu)造形態(tài)，工作面里段為一寬緩背斜，外部呈向斜構(gòu)造，傾角5°～13°，平均傾角7°。采面工程布置如圖10所示。

圖10 采面工程布置Fig.10 Layout of working face

工作面內(nèi)有9條斷層，其中三維地震斷層DF033、DF045、DF046、DF056、DF057、DF061六條，2607運(yùn)輸巷揭露F2607-4、F2607-5、F2607-6三條斷層。其中DF061斷層落差為9.3 m，對運(yùn)輸巷掘進(jìn)影響較大，DF056斷層對回風(fēng)巷運(yùn)輸聯(lián)巷掘進(jìn)影響較大，F(xiàn)2607-5斷層對回風(fēng)巷外段掘進(jìn)影響較大，F(xiàn)2607-4、DF033、DF045、DF057對掘進(jìn)有一定影響，DF046、F2607-16在工作面內(nèi)，對掘進(jìn)無影響；工作面回風(fēng)巷外段及里段各有1處三維地震提供的火成巖侵蝕區(qū)，對掘進(jìn)影響較大，掘進(jìn)期間密切關(guān)注。根據(jù)2607工作面掘進(jìn)期間地質(zhì)資料推測2609工作面運(yùn)輸巷的地質(zhì)特征：二2煤層穩(wěn)定，厚度變化較大，最薄0，最厚3.3 m，平均2.5 m，煤層傾角平均7°。該掘進(jìn)工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要充水水源為二2煤頂、底板砂巖裂隙水、底板太灰水和2607工作面老空水。本工作面開采煤層為二2煤層，為低硫、低磷、低灰分、高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)無煙煤，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層較穩(wěn)定，煤層厚度0～3.3 m，平均厚度2.5 m?；仫L(fēng)巷外段及里段各有一較大的火成巖侵蝕區(qū)，煤層可能被侵蝕或蝕變?yōu)樘烊唤埂?/p>

4.2 礦壓觀測結(jié)果分析

2609運(yùn)輸巷梯次支護(hù)試驗(yàn)段于巷道通尺牌300 m開始，于850 m通尺牌處結(jié)束，總共570 m。從2011年9月12日試驗(yàn)段開始掘進(jìn)，2011年12月14日試驗(yàn)段結(jié)束。巷道表面位移觀測主要是觀測巷道頂板下沉、左右兩幫移近，由于煤巷底板經(jīng)常清理，底鼓量很難給出準(zhǔn)確的觀測結(jié)果，只能根據(jù)宏觀的觀測定性說明。巷道頂、底板，兩幫相對移近量的監(jiān)測采用測槍、測桿或頂板動(dòng)態(tài)儀等。從試驗(yàn)段開始50 m開始布置測站，每隔150 m布置1個(gè)測站，共3個(gè)測站，3個(gè)測站分別在巷道通尺牌400、550、700 m處。定期觀測，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和總結(jié)。主要包括兩幫移近和頂?shù)装逡平?，?個(gè)測站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出相應(yīng)圍巖變形量曲線，如圖11所示。

圖11 圍巖變形量規(guī)律Fig.11 Law of deformation of surrounding rock

(1)巷道頂板活動(dòng)比較穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯的變形下沉，測站1和測站3處監(jiān)測頂板下沉量為11 mm左右，這取決于巷道科學(xué)合理的支護(hù)方案帶來的良好支護(hù)效果。

(2)巷道兩幫最大變形量達(dá)到82 mm，左幫最大變形量達(dá)到40 mm。巷道兩幫變形主要是由于右?guī)妥冃我?。測站2顯示左幫變形量較大，說明試驗(yàn)段中段左幫礦壓顯現(xiàn)比較明顯，現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)段中段左幫有數(shù)根錨桿被壓斷現(xiàn)象。

(3)現(xiàn)場觀測表明，巷道底鼓量比較大，進(jìn)行了多次割底，底鼓量無法準(zhǔn)確測量。

4.3 巷道維護(hù)效果

(1)掘進(jìn)期間。2609運(yùn)輸巷現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)始于2011年9月12日，12月14日試驗(yàn)段結(jié)束，共施工3個(gè)多月，成巷570 m。采用高預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索為基礎(chǔ)的梯次支護(hù)技術(shù)(圖12)，支護(hù)效果良好。

圖12 掘進(jìn)期間巷道支護(hù)效果Fig.12 Roadway supporting effect during driving

(2)回采期間。2609面回采時(shí)由于受工作面超前支承壓力影響，巷道變形量比掘進(jìn)時(shí)明顯增大?；夭蓵r(shí)巷道支護(hù)如圖13所示。

圖13 回采期間巷道支護(hù)效果實(shí)物Fig.13 Actual roadway support effect during the mining

5 結(jié)語

(1)提出了巨厚泥巖滲水頂板巷道梯次支護(hù)技術(shù)。首先采用錨桿支護(hù)在巷道頂板淺部圍巖造殼(一階支護(hù))，再采用短錨索支護(hù)控制頂板中下部軟弱煤巖形成二次強(qiáng)化錨固承載結(jié)構(gòu)(二階支護(hù))，再應(yīng)用長錨索對已形成的二階錨固承載體向頂板上部深層煤巖體實(shí)施整體組合錨固(三階支護(hù))，使巨厚軟弱復(fù)合頂板巷道圍巖逐段依次得以多次錨固，在頂板巖層中形成一定厚度和承載強(qiáng)度的具有組合錨固效應(yīng)的階梯式立體支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效控制頂板圍巖變形。

(2)分析了巨厚泥巖滲水頂板巷道梯次支護(hù)的力學(xué)機(jī)理。理論計(jì)算表明：頂板最大剪應(yīng)力在巷幫上方位置處，頂板最大拉應(yīng)力在巷道跨度中部位置處，采用階梯式錨網(wǎng)索支護(hù)比一般錨網(wǎng)索支護(hù)的最大應(yīng)力值減小。分析了厚層泥巖滲水頂板巖層變形特征，通過三階支護(hù)的配合方式實(shí)現(xiàn)頂板梯次支護(hù)，形成“類剛性梁”，研究了厚層泥巖滲水頂板中采用錨桿、錨索支護(hù)情況下形成穩(wěn)固承載結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。建立了組合梁計(jì)算模型，分析了組合梁受力狀況，給出了錨桿、錨索參數(shù)計(jì)算方法。

(3)優(yōu)化了施工方案和施工工藝，提出了合理的支護(hù)參數(shù)，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，取得了較好的支護(hù)效果，維護(hù)了工作面安全順利回采。在2609運(yùn)輸巷施工570 m，并根據(jù)礦壓顯現(xiàn)及時(shí)修改補(bǔ)充了支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。在整個(gè)觀測期間內(nèi)，巷道滲水地段受力較為明顯，錨索的大托盤上出現(xiàn)花紋，且讓壓管變形。礦壓觀測表明：在巷道的掘進(jìn)和工作面回采期間巷道圍巖沒有出現(xiàn)大的變形，取得了良好的支護(hù)效果，巷道維護(hù)滿足區(qū)段生產(chǎn)期間的通風(fēng)、行人、運(yùn)輸?shù)劝踩a(chǎn)需要。

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