厚煤頂煤巷圍巖穩(wěn)定性類別評判及支護設計

姚曉晗，趙玉棟

(中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京100120)

我國的巷道支護技術有著久遠的歷史，然而，隨著勘探技術的進步，更多的煤炭資源被發(fā)掘，進而采煤工藝隨之變化，隨著放頂煤開采工藝的推廣應用，越來越多的礦井需要開掘厚煤頂煤巷，由于頂板煤層厚度較大，采用錨桿索支護時，錨固點難以伸到穩(wěn)定巖層，支護可靠性降低，給安全生產(chǎn)帶來了影響，之前更多的研究是基于一般的巖石頂板，沒有對煤層頂板尤其是厚煤頂板進行專門的研究［1－2］。因此，探究此類巷道的圍巖參數(shù)指標及類別，確定合理的支護參數(shù)，是解決該巷道圍巖控制難題的有效技術探索，本文在總結分析厚煤頂煤巷圍巖變形破壞的主導因素基礎上，進行煤巖樣采集測試和底板比壓測試，對支護參數(shù)進行設計，確保安全掘進與支護，本文可為同類型巷道支護提供參考。

1 工程概況

安家?guī)X井工二礦B906輔運順槽所在煤層為石炭系上統(tǒng)太原組9號煤層，煤層厚8.9～13.65 m，平均厚度 11.69 m，煤層傾角 1.8°～ 3.8°，平均2.8°。煤層產(chǎn)狀平緩，節(jié)理裂隙較發(fā)育，性脆，見黃鐵礦結核，局部地段頂部有高灰分煤，平均厚2.09 m。煤層結構復雜，含夾矸2～7層，直接頂板以灰白色中粗砂巖為主。直接底板以灰色～灰黑色泥質巖類為主。B906輔運順槽設計采用矩形斷面，凈寬5 m，凈高3.3 m，該礦臨近相似巷道異常礦壓顯現(xiàn)明顯，出現(xiàn)過嚴重底臌、片幫、巷幫玻璃鋼錨桿拉斷失效等現(xiàn)象。為保證千萬噸級礦井安全高效回采，有必要開展此類巷道合理支護參數(shù)的研究。

2 圍巖破壞因素分析及參數(shù)指標測試

2.1 厚煤頂煤巷圍巖破壞的主導因素

(1)厚層煤頂及軟弱頂板巖層，層理和構造裂隙發(fā)育，頂板自身穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生離層和剪切破壞，不利于形成穩(wěn)定的支護結構。

(2)巷道兩幫為煤體，且節(jié)理裂隙發(fā)育，巷道的垂直載荷向兩幫傳遞和轉移，煤幫所承受的壓力增長，加大煤幫變形破壞和片幫。

(3)地質條件的影響。斷層、褶曲等構造帶容易出現(xiàn)應力集中，圍巖破碎，巷道控制難度大。頂板局部淋水現(xiàn)象嚴重，會弱化錨固劑錨固強度。

(4)采動的影響。綜放開采回采巷道圍巖的應力分布特殊，改變了圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍，導致了巷道失穩(wěn)變形和破壞。

(5)巷道斷面的影響。巷道斷面的增大使巷道圍巖應力和變形成平方和立方急劇增長，巷道圍巖破碎范圍加大，從而使錨索、錨桿的錨固力得不到保證。

2.2 煤巖參數(shù)指標工程測試

(1)煤巖樣采集測試

采用ZYG－150全液壓鉆機在B906輔運巷頂板鉆取煤巖樣，進行煤巖芯編錄，繪制鉆孔柱狀圖，得出B906綜放區(qū)段2.8 m的直接頂及8.7 m的老頂均為細砂巖。實驗室進行壓縮、劈裂、剪切試驗，測定頂板煤巖力學參數(shù)，見表1。

表1煤巖力學性質指標Tab.1 Index of rock mechanical properties of coal

(2)底板比壓測試

底板比壓測定采用DZD－IIA型便攜式底板比壓儀，壓模，DZ35－20/100單體液壓支柱，在B906輔運順槽設14個測站進行觀測，記錄測站位置、壓模直徑、壓力表數(shù)據(jù)、壓入量。繪制底板比壓與壓入量的關系曲線，見圖1。

根據(jù)壓力特性曲線，B906輔運順槽底板變形以塑—脆性和塑性為主，分別占57%和38%。計算分析確定底板允許比壓為19.6 MPa，底板允許剛度系數(shù)為2.7 MPa/mm。根據(jù)我國煤炭行業(yè)標準《緩傾斜煤層采煤工作面底板分類》技術規(guī)范(MT553－1996)，確定B906綜放面底板屬于Ⅳ類中硬底板。

3 厚煤頂煤巷圍巖穩(wěn)定性類別預測評判

3.1 煤巷圍巖分類指標選取

根據(jù)我國《緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案》。選擇巷道頂板強度、煤層強度、底板強度、巷道埋深、巖體完整性指數(shù)、本區(qū)段采動影響指標、鄰近區(qū)段采動影響指標7個影響因素作為分類指標，將緩傾斜、傾斜煤層回采巷道分為非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定5個類別［3－4］。

1)三個圍巖強度指標。

①σ煤是巷道兩幫煤層的平均強度，根據(jù)上述測試可知，煤層單向抗壓強度σ煤為33.85 MPa。

②頂板強度σ頂取頂板2倍巷道寬度范圍內(nèi)9.0 m的煤層和1.0 m的細砂巖強度的加權平均值，頂板單向抗壓強度σ頂為

③根據(jù)底板比壓實測結果，巷道底板巖石單向抗壓強度σ底為19.6 MPa。

2)巖體完整性指數(shù)。以直接頂初次垮落步距代替。B906綜放面直接頂初次垮落步距14.5 m。

3)埋藏深度H。根據(jù)實際測量數(shù)值選取。B906輔運巷埋深 180～220 m，取埋深平均值200 m。

4)本區(qū)段采動影響指標N。采動影響系數(shù)N等于直接頂厚度除以煤層采高。B906輔運巷上覆巖層為9 m厚的煤層，與2.41 m厚的細砂巖。

5)相鄰區(qū)段采動影響指標X。用護巷煤柱的實際寬度表示。B906輔運巷相鄰區(qū)段護巷煤柱寬度為20 m，故X取20。

3.2 模糊綜合評判矩陣的構建

巷道圍巖穩(wěn)定性的類別是一個模糊概念，在預測巷道圍巖穩(wěn)定性類別時設評語集合為V={Ⅰ類，Ⅱ類，Ⅲ類，Ⅳ類，Ⅴ類}，其模糊子集為B，因素集合為U={頂板強度，煤層強度，底板強度，采動影響系數(shù)，巷道埋深，殘余采動影響系數(shù)，巖體完整性指數(shù)}，模糊子集為A。則因素論域和評語論域之間的模糊關系可用評價矩陣R來表示，其中rij=UR(ui，uj)表示從i因素著眼，該因素能評為vj類的隸屬程度。

模糊子集A和B可簡化表示成模糊向量A=［a1，a2，…a7］;B= ［b1，b2，…b7］，并且B=A·R［5］按評語集B內(nèi)各元素大小順序，預測判定巷道圍巖穩(wěn)定性類別。

3.3 模糊綜合評判矩陣的選擇和計算

模糊綜合評判矩陣的選擇的關鍵在于確定各因素相對于各類的隸屬度，本文采用距離法確定隸屬程度。首先確定各因素的聚類中心，然后通過對各類中心的距離比較，得到單因素評判矩陣。如圖2。

(1)分類指標原始數(shù)據(jù)的線性化在進行分類或預測巷道類別時，首先對原始數(shù)據(jù)進行線性化處理。待判定的巷道(B906輔運巷)各指標參數(shù)線性化矩陣:

［0.163 8 0.171 9 0.225 8 3.460 0 200.000 0 0.382 0 14.500 0］

聚類中心是某一類巷道圍巖所有樣本的核心，是該類的一個模式樣本，綜合反應了該類指標的特性。標準樣本指標參數(shù)線性化矩陣(煤巷分類標準):

(2)數(shù)據(jù)標準化［6］

進行無量綱化處理，將數(shù)據(jù)壓縮在［0，1］之間。待判定的巷道(B906輔運巷)各指標參數(shù)標準化矩陣

標準樣本指標參數(shù)標準差標準化矩陣

(3)絕對距離差值取倒數(shù)處理

計算待判定巷道(B906輔運巷)各指標參數(shù)值與各類中心的距離的倒數(shù)。

(4)歸一化處理

將各指標參數(shù)值轉化為表示相對重要程度的在0～1之間一個實數(shù)，即各指標參數(shù)值之和為1。

(6)轉置得出綜合評判矩陣R

3.4 B906輔運巷圍巖穩(wěn)定性判定結果

(1)各指標權集確定

因素論域U上的各單因素ui的權值，表示參與分類的指標的相對重要程度的一個實數(shù)k(i)在0～1之間，∑k(i)=1。因素論域U上的因素模糊子集即各指標權集(全國范圍)為:

(2)評語集的計算

(3)B906輔運巷圍巖類別判定

由計算結果可知，B906輔運巷為Ⅲ類圍巖的隸屬度最大。

3.5 支護參數(shù)選擇方向

B906輔運巷圍巖屬于Ⅲ類圍巖，巷道斷面尺寸為5.0 m×3.3 m，頂板為9.0 m厚的煤層頂板，根據(jù)《煤巷錨桿支護技術規(guī)范》，支護方式采用錨桿+錨索(或鋼筋梁)+網(wǎng)，或增加錨索桁架+網(wǎng)，或增加錨索［7］;主要支護參數(shù)為端錨:桿體直徑:16～18 mm，桿體長度:1.6 ～2.2 m;間排距:0.6 ～1.0 m;設計錨固力:64～80 kN;全長錨固:桿體直徑:18～22 mm;錨桿長度:1.8 ～2.4 m;間排距:0.8 ～1.2 m。

4 厚煤頂煤巷支護設計

綜合以上分析，確定B906輔運順槽的支護形式及參數(shù)如圖3所示。具體支護參數(shù)如下:

4.1 頂板支護

(1)錨桿支護

頂錨桿形式和規(guī)格:采用Φ20 mm無縱筋螺紋鋼錨桿，長度2.4 m，初錨力≥70 kN，安裝扭矩≥140 N·m。

錨固方式:樹脂錨固，每孔使用1根K2335，一根Z2360樹脂錨固劑，K2335在上，Z2360在下。

錨桿布置:間排距為1 100 mm×1 200 mm，頂板打5排錨桿，最外一排到巷幫的距離為300 mm。靠近巷幫的頂錨桿安設角度與垂直方向成15°夾角，其余3根垂直頂板。

托盤規(guī)格:頂錨桿托盤150 mm×150 mm×10 mm。

頂板網(wǎng)片規(guī)格:Φ4×80 mm焊接方格網(wǎng);長×寬=3 m×1.3 m;網(wǎng)片相互壓茬 100 mm，每300 mm用14#雙股鐵絲扎牢。

(2)錨索支護

頂板錨索形式和規(guī)格:錨索采用Φ17.8 mm的鋼絞線，長7.3 m，錨深7 m。錨索預緊力不低于120 kN。

錨固方式:每個錨索鉆孔安裝一個K2335，2根Z2360樹脂藥卷，K2335在上，Z2360在下。

錨索布置:巷道中間每排布置一根錨索，排距3 600 mm。

托盤規(guī)格:錨索托板采用 Q235鋼，規(guī)格為250 mm×250 mm×10 mm和90 mm×90 mm×10 mm兩種配合使用。

4.2 巷幫支護

幫錨桿形式和規(guī)格:靠工作面一側煤幫選用Φ20 mm玻璃鋼錨桿，長度為1.8 m?？棵褐粋让簬瓦x用Φ18圓鋼錨桿，長度為1.8 m。玻璃鋼錨桿初錨力≥30 kN，扭矩≥80 N·m。圓鋼錨桿初錨力≥50 kN，扭矩≥100 N·m。

錨固方式:幫錨桿每孔使用1根Z2360樹脂錨固劑。

錨桿布置:錨桿間、排距1 100 mm×1 200 mm。每排每幫布置3根錨桿，最上一根距頂板400 mm，斜向上與水平方向成15°夾角;最下一根距底板為700 mm，斜向下與水平方向成5°～10°夾角;中間一根水平布置。

托盤規(guī)格:兩幫錨桿鐵托板200 mm×200 mm×10 mm，高強塑料托板Φ100 mm。

巷幫網(wǎng)片規(guī)格:靠工作面一側煤幫選用內(nèi)有鐵絲蕊的塑料網(wǎng)，長×寬=30 m×1.5 m;靠煤柱一側煤幫為Φ4×80 mm金屬焊接方格網(wǎng);長×寬=3 m×1.3 m;網(wǎng)片相互壓茬100 mm，每300 mm用14#雙股鐵絲扎牢。

遇見斷層、圍巖破碎帶、地應力異常等復雜地質條件，應采取加強支護措施［8］。

5 支護效果工程驗證

在B906輔運順槽中距工作面100、130和160 m處各布置一個測站，測站間距為30 m，測量巷道表面位移。從測站布置后到B906工作面推過測站后，巷道斷面收斂率很小，兩幫移近量最大不超過80 mm，頂?shù)装逡平孔畲蟛怀^25 mm(見圖4)。在工作面推進期間，輔運巷的頂板下沉量較小，但兩幫移近量不大，說明巷道頂板控制較好。

6 結論

1)厚煤頂煤巷變形破壞的主導因素為:厚頂煤不易形成穩(wěn)定的支護結構;煤幫穩(wěn)定性差;地質構造;開采擾動;巷道斷面大等。

2)煤巖樣采集測試與底板比壓測試分別得出煤層及直接頂?shù)膸缀瘟W參數(shù)指標，底板允許比壓值，模糊綜合評判得出B906輔運巷屬于Ⅲ類圍巖，從而確定出支護參數(shù)選擇方向。

3)設計出B906輔運巷支護參數(shù)，并進行現(xiàn)場工業(yè)試驗。位移變形觀測結果表明:頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平枯^小，圍巖控制效果較好。

［1］張榮立，李 鐸，何國緯.采礦工程設計手冊［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2003.

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［3］鄒喜正.煤礦巷道圍巖穩(wěn)定性分類［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1995.

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［5］汪培莊.模糊集合論及其應用［M］.上海:上海科學技術出版社，1983.

［6］鄒喜正.對模糊聚類分析中原始數(shù)據(jù)預處理研究［J］.煤礦開采，1994(1):17－20.

［7］王漢鵬，李術才，李為騰，等.深部厚煤層回采巷道圍巖破壞機制及支護優(yōu)化［J］.采礦與安全工程學報，2012，29(3):19 －23.

［8］鄭鋼鏢.特厚煤層大斷面煤巷頂板離層及錨固效應研究［D］.太原:太原理工大學，2006.