穩(wěn)定厚灰?guī)r層頂板巷道頂幫協(xié)調(diào)支護技術(shù)

張之慧

（陽泉煤業(yè)（集團）有限責(zé)任公司一礦， 山西 陽泉 045008）

引言

堅硬厚灰?guī)r層巷道頂幫協(xié)調(diào)優(yōu)化支護技術(shù)，是巷道支護的研究內(nèi)容之一[1-2]。堅硬厚灰?guī)r巷道支護常常出現(xiàn)“重頂板、輕兩幫”的支護現(xiàn)象，尤其當(dāng)巷道構(gòu)造應(yīng)力和垂直應(yīng)力差值較大，構(gòu)造應(yīng)力占據(jù)主要優(yōu)勢時，巷道可能出現(xiàn)頂板支護過度、兩幫支護較弱的不合理情況，造成巷道兩幫變形破壞，誘發(fā)失穩(wěn)隱患[3-4]。支護設(shè)計是巷道錨桿支護中的一項關(guān)鍵技術(shù)，支護強度過大時，會造成支護材料浪費和掘進速度降低；支護強度不足或頂幫不協(xié)調(diào)時，圍巖發(fā)生變形失穩(wěn)破壞，影響礦井安全生產(chǎn)。國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)對此進行了大量的實驗研究和工程實踐，本文結(jié)合某礦具體條件和支護現(xiàn)狀，提出了優(yōu)化方法、支護理論及優(yōu)化技術(shù)，并將其應(yīng)用于工程實踐，取得了顯著的效果。

1 工程背景

陽煤山凹煤礦9311 回風(fēng)巷用作工作面行人、出風(fēng)、運料等。巷道沿9+10 號煤層頂?shù)装寰蜻M，標(biāo)高最高為800 m，最低為655 m，埋深平均為415 m，巷道布置平面見圖1。

9+10 號煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤層穩(wěn)定，傾角2°～11°，平均6°；煤層含矸1～3 層，巖性為泥巖，煤層總厚度2.8 m，其中矸石厚度約0.2 m。煤體強度為中硬煤層。

9+10 號煤層偽頂為泥巖，直接頂為K2 石灰?guī)r，青灰色，致密、堅硬，厚度4.6～9.0 m，平均7.2 m，中間2.0～3.2 m 層位含一層厚度約15 mm 泥巖夾層。煤層直接底為灰色砂質(zhì)泥巖，具體巖層分布情況見表1。

圖1 巷道布置平面圖

表1 巷道頂?shù)装迩闆r表

9311 運輸巷掘進寬度4.5 m，掘進高2.8 m，頂板為4.6～9.0 m 厚的K2 石灰?guī)r層，厚度近巷道跨度的2 倍、兩幫為中軟煤層。

2 9311 回風(fēng)巷地質(zhì)力學(xué)特征及圍巖破壞機理

2.1 地質(zhì)力學(xué)特征

根據(jù)井下原位測試得知，該區(qū)最大、最小水平主應(yīng)力、垂直應(yīng)力分別為18.1 MPa、9.6 MPa、7.8 MPa，最大主應(yīng)力方向N69.0°W，與巷道軸線方向夾角21°。地應(yīng)力量值上屬于中等偏高應(yīng)力區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力占優(yōu)的應(yīng)力場類型，相互垂直的主應(yīng)力差值達到10.3 MPa，圍巖偏應(yīng)力作用明顯。

巷道頂板泥巖強度平均值24.3 MPa；K2 石灰?guī)r強度平均值118.2 MPa，堅硬、穩(wěn)定；煤體強度平均值9.7 MPa，中硬偏軟。

2.2 巷道圍巖破壞機理

巷道頂幫強度懸殊，頂板為堅硬穩(wěn)定的厚灰?guī)r層，且厚度是巷道跨度的近2 倍，巷幫為中等偏軟的3 號煤層，當(dāng)巷道開挖后，相較于頂板，煤幫為軟弱面，圍巖壓力會優(yōu)先從巷幫釋放；同時，本區(qū)域為構(gòu)造應(yīng)力場類型，水平應(yīng)力會對巷道兩幫和頂板產(chǎn)生擠壓、剪切作用，且偏應(yīng)力作用明顯，這會導(dǎo)致頂幫的不均衡受力。另外，現(xiàn)場的“重頂板、輕巷幫”支護觀念，常常出現(xiàn)頂板支護過度、巷幫支護不足的不合理現(xiàn)狀，也會進一步加劇頂幫的不均衡變形。

在開挖影響和原巖應(yīng)力作用下，煤壁出現(xiàn)極限平衡而產(chǎn)生塑性破壞。巷道頂?shù)装迤茐暮蛢蓭推茐氖窍嗷ビ绊憽⑾嗷ゼs束的，當(dāng)巷幫由于壓剪破壞而形成剪切面，會向煤體深部傳遞，從而大大降低煤幫的承載能力，擴大頂板的實際跨距，誘發(fā)頂板破壞風(fēng)險，當(dāng)頂板跨距增大時會進一步破壞巷幫煤體，進而形成惡性循環(huán)，誘發(fā)巷道失穩(wěn)破壞風(fēng)險。因此，優(yōu)化堅硬厚層灰?guī)r頂板支護，加強巷幫中軟煤體支護，實現(xiàn)頂板協(xié)調(diào)支護，是改善圍巖承載結(jié)構(gòu)、控制巷道變形的關(guān)鍵。

3 頂幫協(xié)調(diào)支護技術(shù)

現(xiàn)在煤礦巷道的主導(dǎo)支護型式是錨桿錨索支護，高預(yù)應(yīng)力支護因其主動性和約束性而得到廣泛應(yīng)用[5-7]。因此，對頂幫的不同支護組合方式進行模擬。方案1：按原有巷道支護參數(shù)進行建模，排距1.1 m，頂板采用5 根20 mm 圓鋼錨桿進行支護，錨桿預(yù)緊力20 kN，錨索17.8 mm，預(yù)緊力120 kN，巷幫3 根直徑20 mm 的圓鋼錨桿，預(yù)緊力20 kN；方案2：按高剛度低密度支護參數(shù)建模，頂板4 根錨桿，排距1.3 m，間距1.2 m，錨索直徑17.8 mm，長度5.2 m，預(yù)緊力200 kN；巷幫3 根20 mm 圓鋼錨桿，預(yù)緊力60 kN。

3.1 最大應(yīng)力

不同支護方案巷道圍巖最大應(yīng)力分布如圖2，最大應(yīng)力主要集中在巷道頂幫深部位置，這是因為巷道開挖產(chǎn)生的圍巖變形向煤巖體深部傳遞，造成深部巖層應(yīng)力重分布，方案2 最大應(yīng)力值相對較小，說明巷道表面的高剛度低密度錨桿索系統(tǒng)有效地約束表面自由移動，避免應(yīng)力向煤巖體深部傳遞。

3.2 塑性破壞區(qū)

巷道掘進后塑性破壞區(qū)主要分布在巷道的四周，方案2 頂幫的剪切和拉伸破壞相對較小，如圖3。

4 應(yīng)用實例

4.1 支護方案

根據(jù)以上分析，結(jié)合巷道地質(zhì)條件和支護現(xiàn)狀，設(shè)計巷道高剛度低密度錨桿錨索支護方案。

頂幫及兩幫采用20 mm 圓鋼麻花錨桿，屈服強度235 MPa，長度2.0 m，預(yù)緊扭矩230 N·m，頂板錨桿間距1.2 m，巷幫錨桿間距0.9 m，頂板排距均1.3 m。

頂板錨索17.8 mm、17 股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度5.2 m，配套高強鎖具、調(diào)心球墊和300 mm×300 mm×12 mm 拱形托板，居中布置，排距3.9 m；錨索預(yù)緊張拉力250 kN；頂幫均采用鋼筋托梁和金屬經(jīng)緯網(wǎng)進行護表。巷道支護斷面見下頁圖4。

圖2 不同方案最大應(yīng)力云圖

圖3 不同方案塑性破壞區(qū)分布

4.2 監(jiān)測與分析

巷道整體平整度和成型性較好，局部段出現(xiàn)小的鼓包下沉，頂板最大下沉量約27 mm，兩幫最大移近量約32 mm，圍巖變形占巷道尺寸比例較小，見下頁圖5。

見下頁圖6，頂板錨索初始預(yù)緊力主要集中在140～170 kN 之間，基本達到高預(yù)緊力要求，后期部分錨索受力較大，掘進期間最大受力近235 kN；掘進期間錨索受力在前3 d 內(nèi)迅速增加直至平衡，之后基本維持不變。見下頁圖7，巷幫錨桿初始預(yù)緊力介于35～55 kN 之間，隨著掘進進行，錨桿受力迅速增大，最大值約90 kN，局部有震蕩，可能與煤炮震動有關(guān)?？偟脕碚f，巷道處于穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖變形和錨桿錨索受力也都處在允許范圍內(nèi)，滿足工作面回采需要。

圖4 巷道支護布置圖（單位：mm）

圖5 表面位移監(jiān)測

5 結(jié)論

1）堅硬厚層頂板巷道，優(yōu)化頂板支護，加強巷幫支護，實現(xiàn)頂板協(xié)調(diào)支護，可實現(xiàn)巷道高剛度低密度優(yōu)化支護，保證巷道安全。

2）提高支護系統(tǒng)剛度，降低支護系統(tǒng)密度，在保證巷道安全條件下，可提高巷道掘進速度，降低支護材料成本。

圖6 錨索受力監(jiān)測

圖7 錨桿受力監(jiān)測

3）優(yōu)化采用的方法、支護理論及技術(shù)，適應(yīng)于其他類似條件巷道，具有較大的推廣應(yīng)用前景。