呂傳慶

(晉城宏圣建筑工程有限公司， 山西 晉城 048000)

綜放工作面掘巷期間，由于掘進(jìn)巷道沿底板掘進(jìn)，其上方頂板將會(huì)以頂煤為主。常規(guī)支護(hù)方式下頂板煤巖層并不能處于很好的壓應(yīng)力控制環(huán)境中，時(shí)常會(huì)因?yàn)樾鄬拥鹊刭|(zhì)構(gòu)造擾動(dòng)影響而誘發(fā)冒頂事故，因此有必要針對(duì)頂板為煤體時(shí)的支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-2].

本文以山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦20322綜放工作面為工程地質(zhì)背景，調(diào)研某次冒頂事故發(fā)生后錨桿索殘余桿體損壞特征，通過(guò)理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對(duì)原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用以及礦壓監(jiān)測(cè)等方法對(duì)優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行效果檢驗(yàn)。

1 工程地質(zhì)概況

山西晉能能源控股集團(tuán)所屬某礦20322綜放工作面掘巷期間于20322運(yùn)輸平巷內(nèi)發(fā)生了一起嚴(yán)重的冒頂事故，事故發(fā)生位置為一小斷層構(gòu)造影響區(qū)。冒頂區(qū)域平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1.

20322綜放工作面主采2#煤層，所采煤層厚度為5.8～6.6 m，均厚為6.2 m. 20322綜放工作面地面標(biāo)高為+935～+1 025 m，井下標(biāo)高為+490～+572 m，平均埋深超過(guò)450 m，工作面兩側(cè)的平巷尺寸寬5.6 m、高3.55 m，巷道頂板以頂煤為主。20322工作面兩側(cè)平巷以錨桿索聯(lián)合支護(hù)為主，其具體支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖2.

圖1 冒頂區(qū)域平面位置關(guān)系圖

按照?qǐng)D2所示的錨桿索聯(lián)合支護(hù)參數(shù)對(duì)20322綜放工作面兩側(cè)平巷進(jìn)行支護(hù)，其中錨桿排距為900 mm，錨索排距為1 800 mm. 由于平巷掘出后頂板以頂煤為主，其物理力學(xué)性質(zhì)較巖層軟弱，且受局部小斷層構(gòu)造的影響，因而發(fā)生了大范圍冒頂事故，現(xiàn)場(chǎng)冒頂情況見(jiàn)圖3.

由圖3可知，現(xiàn)場(chǎng)采用圖2所示的錨桿索聯(lián)合支護(hù)后，并不能很好地起到對(duì)頂板煤體的支護(hù)效果，一旦遇到小斷層構(gòu)造等特殊地質(zhì)條件影響時(shí)，頂板將會(huì)發(fā)生垮冒事故，影響工作面的前期準(zhǔn)備工作和作業(yè)人員的人身安全。

圖2 兩側(cè)平巷錨桿索支護(hù)參數(shù)圖

圖3 現(xiàn)場(chǎng)冒頂調(diào)研情況圖

2 冒頂事故分析

2.1 冒頂事故概況

圖1中大致給出了冒頂區(qū)域平面位置關(guān)系，頂板冒落后的具體參數(shù)情況見(jiàn)圖4.

圖4 頂板冒落后具體參數(shù)情況圖

圖4所示為20322運(yùn)輸平巷受小斷層構(gòu)造影響而使其附近頂板垮冒后的頂?shù)装鍢?biāo)高測(cè)定情況，可以看出冒頂區(qū)域長(zhǎng)達(dá)53.65 m，冒頂范圍極大，最大冒落高度為6.6 m，最小冒落高度為4.0 m，根據(jù)煤層均厚為6.2 m的客觀條件可知，冒頂區(qū)域內(nèi)不止頂煤發(fā)生了整體垮落，其上方巖體也伴隨著頂煤發(fā)生了一定的冒落。

2.2 冒頂原因分析

冒頂事故發(fā)生后，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)所用錨桿索構(gòu)件進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于錨桿構(gòu)件長(zhǎng)度有限，基本錨固于頂板煤體內(nèi)，因而對(duì)于頂板冒頂事故的發(fā)生影響甚微。反觀眾多錨索托盤(pán)呈現(xiàn)出明顯的凹陷變形，并在現(xiàn)場(chǎng)遺落有很多被拉斷的錨索殘余桿體，由錨索斷裂形式可以看出，托盤(pán)在較大的拉力作用下發(fā)生了明顯的內(nèi)凹變形，錨索斷裂位置處呈現(xiàn)出明顯的拉斷特征，并非受頂板煤巖層水平剪切而呈現(xiàn)的剪切斷裂形式。這意味著巷道頂板的冒頂事故是由于頂板煤巖層離層使原有錨索支護(hù)無(wú)法承擔(dān)而發(fā)生拉伸破斷而導(dǎo)致的，因此有必要針對(duì)錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改良。

3 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)巷道頂板支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化應(yīng)該從兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)[3-4]：1) 錨索構(gòu)件本身強(qiáng)度不足，在較高的承載力作用下容易拉斷。2) 錨索構(gòu)件預(yù)緊力不足，存在巷道頂板離層現(xiàn)象。

3.1 錨索數(shù)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

在原有錨桿支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)不同數(shù)量錨索支護(hù)下頂板內(nèi)的應(yīng)力分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬，來(lái)研究不同數(shù)量錨索支護(hù)方式下頂板內(nèi)應(yīng)力的演化規(guī)律，見(jiàn)圖5.

圖5 不同數(shù)量錨索支護(hù)下頂板應(yīng)力云圖

由圖5可知，隨著頂板錨索支護(hù)數(shù)量從1根增加至4根，頂板受錨索預(yù)應(yīng)力的壓緊效應(yīng)而在頂板內(nèi)形成連片的應(yīng)力壓縮區(qū)。錨索支護(hù)數(shù)量為1根或者2根時(shí)，頂板內(nèi)每根錨索所形成的應(yīng)力壓縮區(qū)互相之間干擾較小，無(wú)法對(duì)頂板形成連續(xù)的應(yīng)力壓縮區(qū)；而在錨索支護(hù)數(shù)量為3根或4根時(shí)，頂板內(nèi)每根錨索所形成的應(yīng)力壓縮區(qū)之間相互影響，在頂板內(nèi)形成了連續(xù)的應(yīng)力壓縮區(qū)，這時(shí)候頂板內(nèi)煤巖層整體結(jié)構(gòu)性較好，不易出現(xiàn)頂板內(nèi)煤巖層離層的情況?？梢?jiàn)，頂板錨索支護(hù)數(shù)量為3根時(shí)已經(jīng)能夠?qū)敯迕簬r層起到很好的支護(hù)效果，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，在此確定頂板錨索支護(hù)數(shù)量為3根。

3.2 錨索預(yù)應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)

工程上針對(duì)錨索拉斷的誘因進(jìn)行了分析，得知造成錨索拉斷的原因主要有以下兩方面[5-6]：1) 錨索桿體的承載載荷達(dá)到了極限，錨索桿體無(wú)法承載更大的載荷而被拉斷。2) 錨索桿體的延伸變形量超過(guò)了桿體的極限變形量而被拉斷。

目前煤礦上針對(duì)錨索參數(shù)的設(shè)計(jì)通常只考慮錨索的承載性能，關(guān)于錨索桿體的延伸變形量這一因素往往被忽略。由于20322工作面為綜放開(kāi)采方式，其兩側(cè)平巷頂板以松軟煤體為主，往往會(huì)由于離層變形等造成錨索桿體的延伸變形量較大，因此有必要針對(duì)錨索桿體的延伸變形量進(jìn)行計(jì)算分析。

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14370—2000可知，錨索桿體(1×7結(jié)構(gòu)的1860級(jí)鋼絞線)的極限抗拉力約為260 kN，拉斷時(shí)的極限延伸變形率為2.0%. 考慮到錨具組裝后在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的錨具效率系數(shù)約為0.95以及工程地質(zhì)條件影響系數(shù)約為0.9，代入以下公式[7]可以計(jì)算得到在工程應(yīng)用中錨索斷裂時(shí)的實(shí)際極限抗拉力(Fms)和極限延伸變形率(εms)：

Fms=ηa·ηs·Fpm=221 kN

(1)

εms=ηs·εpm=1.8%

(2)

式中，ηa為錨具效率系數(shù)；ηs為工程地質(zhì)條件影響系數(shù)；Fpm為錨索桿體的極限抗拉力，kN；εpm為錨索桿體的極限延伸變形率。

當(dāng)將錨索錨固于巷道頂板中，錨索桿體的延伸變形量主要包括初始施加預(yù)緊力期間產(chǎn)生的延伸變形量和后續(xù)頂板煤巖體變形所導(dǎo)致的延伸變形量?jī)刹糠?。而錨索錨固于巷道頂板后其可利用的延伸變形率(εΔ)和延伸變形量(ΔL)可按照下式計(jì)算：

ε1=(1.8-Fy/A)%

(3)

ΔL=(1.8-Fy/A)%×L

(4)

式中，F(xiàn)y為錨索錨固于巷道頂板后初始施加的預(yù)緊力，kN；A為錨索桿體的剛度系數(shù)，取221；L為錨索錨固于巷道頂板中后自由段的長(zhǎng)度，m.

結(jié)合式(3)和(4)可知，錨索錨固于巷道頂板后初始施加的預(yù)緊力值以及自由段的長(zhǎng)度值均會(huì)對(duì)錨索桿體可利用的延伸變形量產(chǎn)生影響。不同初始錨索預(yù)應(yīng)力值和自由段長(zhǎng)度值下錨索的可利用延伸變形量可由實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得知，見(jiàn)圖6.

圖6 不同條件下錨索的可利用延伸變形量圖

由圖6可知，相同初始錨索預(yù)應(yīng)力條件下，錨索自由段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其相應(yīng)的可利用延伸變形量越大。因此，在后續(xù)對(duì)頂板錨索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮增加錨索自由段長(zhǎng)度，以期其能擁有更大的可利用延伸變形量。

4 工程應(yīng)用

對(duì)20322工作面兩側(cè)平巷原有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮到巷道頂板為煤體，因此針對(duì)頂板內(nèi)的錨索參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的支護(hù)方案見(jiàn)圖7.

圖7 優(yōu)化后的支護(hù)方案圖

優(yōu)化后的支護(hù)方案中，頂板錨索數(shù)量增加至3根，錨索長(zhǎng)度增加至8 300 mm，其中錨固段長(zhǎng)度為2.0 m，自由段長(zhǎng)度為6.0 m，預(yù)緊力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)取值為120 kN.

采用優(yōu)化后的支護(hù)方案對(duì)20322工作面兩側(cè)平巷進(jìn)行支護(hù)后，在兩側(cè)巷道內(nèi)各布置3個(gè)間隔50 m的測(cè)站對(duì)60天內(nèi)頂?shù)装逡平窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)站KD1、KD2、KD3布置于20322運(yùn)輸平巷內(nèi)，測(cè)站KD4、KD5、KD6布置于20322回風(fēng)平巷內(nèi)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8.

圖8 現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果圖

由圖8可知，采用優(yōu)化后的支護(hù)方案，掘巷期間頂?shù)装遄畲笠平坎淮笥?70 mm，較巷道設(shè)計(jì)高度3.55 m可知，變形率僅為4.7%，可見(jiàn)巷道頂板變形控制效果顯著。后續(xù)可以進(jìn)一步延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)間，對(duì)優(yōu)化后的支護(hù)方案對(duì)巷道頂板圍巖的控制效果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

5 結(jié) 論

1) 頂板以煤體為主的巷道支護(hù)期間容易受小斷層等地質(zhì)構(gòu)造影響而發(fā)生冒頂事故，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)所用錨桿索構(gòu)件進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)遺落有很多被拉斷的錨索殘余桿體，且錨索斷裂位置處呈現(xiàn)出明顯的拉斷特征。這意味著頂板煤巖層離層導(dǎo)致原有錨索支護(hù)無(wú)法承擔(dān)而發(fā)生拉伸破斷。

2) 錨索錨固于巷道頂板后初始施加的預(yù)緊力值以及自由段的長(zhǎng)度值均會(huì)對(duì)錨索桿體可利用的延伸變形量產(chǎn)生影響。相同初始錨索預(yù)應(yīng)力條件下，錨索自由端長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其相應(yīng)的可利用延伸變形量越大。

3) 采用優(yōu)化支護(hù)方案對(duì)20322工作面兩側(cè)平巷進(jìn)行支護(hù)后，巷道掘巷期間頂?shù)装遄畲笠平坎淮笥?70 mm，較巷道設(shè)計(jì)高度3.55 m可知，變形率僅為4.7%，可見(jiàn)對(duì)于巷道頂板變形控制效果顯著。