李國(guó)余

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.大同煤礦集團(tuán) 煤礦資源籌備處，山西 大同 037016)

軟弱交替分布的復(fù)合巖體是自然界非常復(fù)雜的巖體之一，該巖體具有非均質(zhì)、非連續(xù)、橫觀各項(xiàng)同性以及正交各項(xiàng)異性等力學(xué)特性[1-3]，給巷道的支護(hù)工作帶來(lái)了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。尤其是存在多層軟弱層的同煤集團(tuán)晉華宮礦12-3#層301盤(pán)區(qū)，以8103工作面5103巷為例，受動(dòng)壓影響下，頂板冒落時(shí)有發(fā)生，其中，車(chē)場(chǎng)段較為嚴(yán)重。

8103工作面煤層厚2～6.09 m，平均4.05 m，呈“楔狀”分布；底板為黑色砂質(zhì)頁(yè)巖，致密狀組織，厚度較大；老頂厚4.25 m，為細(xì)粉砂巖；直接頂厚4.2 m，為深灰色砂質(zhì)頁(yè)巖及細(xì)砂巖互層，以細(xì)砂巖為主，上部有0.70 m碳質(zhì)泥巖薄層狀結(jié)構(gòu)，下部質(zhì)堅(jiān)硬，由鉆孔攝像[4]得到直接頂詳細(xì)巖性分布，見(jiàn)圖1。5103巷車(chē)場(chǎng)斷面為矩形，寬4.5 m，高2.9 m，沿12-3#層頂板掘進(jìn)，采用“錨桿(水泥托盤(pán))+錨索(鋼托盤(pán))”支護(hù)。

本文以該段巷道為研究對(duì)象，對(duì)動(dòng)壓作用下多軟弱層復(fù)合頂板的破壞過(guò)程、破壞原因進(jìn)行分析，提出“鋼帶錨桿”+“鋼梁錨索”的“鋼錨”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，取得了良好的效果。

1 動(dòng)壓作用下多軟弱層復(fù)合頂板破壞過(guò)程分析

根據(jù)長(zhǎng)期的拍照記錄，發(fā)現(xiàn)隨8103工作面或相鄰8101工作面采動(dòng)影響程度的增強(qiáng)，5103巷多軟弱層復(fù)合頂板的破壞過(guò)程可以分為：拉伸起裂、裂隙貫通、局部冒落、大范圍冒落4個(gè)階段，見(jiàn)圖2。

圖1 5103巷直接頂巖性分布詳圖

1)拉伸起裂，巷道開(kāi)挖后，頂板發(fā)生彎曲下沉，在錨桿、錨索的支護(hù)下，自重應(yīng)力場(chǎng)中支護(hù)體承載能力大于其自身所受荷載，頂板保持穩(wěn)定，隨回采工作面的鄰近，超前支承壓力或相鄰^工作面的側(cè)向支承壓力升高，頂板下沉量上升，表面發(fā)生拉伸破壞。

2)裂隙貫通。由于巖體的非均質(zhì)性，裂隙的數(shù)量隨應(yīng)力的增加而增多，且裂隙方向分布復(fù)雜，最終致使彼此裂隙相互貫通，頂板龜裂，完整性大幅度降低。

3)局部冒落。多軟弱層復(fù)合頂板軟、硬巖交界面處黏結(jié)力較小，在高采動(dòng)應(yīng)力下，各巖層間極易發(fā)生離層。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，最大離層值達(dá)到15 mm，此時(shí)，由于原支護(hù)方案中，錨桿、錨索彼此相互獨(dú)立，圍巖表面存在不被支護(hù)所控制的區(qū)域，巖體在自重作用下，發(fā)生局部冒落事故。

a)拉伸起裂 b)裂隙貫通

c)局部冒落 d)大范圍冒落

4)大范圍冒落。水泥托盤(pán)承載能力較低，在頂板“裂隙貫通”階段，托盤(pán)已開(kāi)始發(fā)生破壞，采動(dòng)應(yīng)力上升后，托盤(pán)被壓碎，使錨桿失去支護(hù)效果。此外，由于巖層的起伏，局部錨桿錨固段位于軟巖之中，錨固力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，支護(hù)質(zhì)量得不到保證，使得高采動(dòng)壓力下，“局部冒落”破壞范圍迅速擴(kuò)大，形成大范圍的冒頂事故。

2 動(dòng)壓作用下多軟弱層復(fù)合頂板破壞控制研究

2.1 控制內(nèi)容力學(xué)分析

研究認(rèn)為作用在頂板巖層上部的豎向應(yīng)力為使其破壞的主要因素之一，應(yīng)力過(guò)大時(shí)，頂板巖梁破斷，最終形成拱形結(jié)構(gòu)[5,6]，因此，可采用梁拱結(jié)構(gòu)研究層狀頂板煤巷的冒落問(wèn)題。煤幫支護(hù)時(shí)頂板第一層的力學(xué)模型見(jiàn)圖3，經(jīng)力學(xué)分析，得到頂板中部最大拉應(yīng)力計(jì)算公式(1)。

圖3 壓曲破壞力學(xué)模型圖

(1)

式中：

σtmax—煤幫支護(hù)時(shí)頂板巖梁所受最大拉應(yīng)力；

a'—梁拱破斷時(shí)向外偏移的跨度距離；

q—煤幫對(duì)頂板巖梁的反作用力；

b—巷道跨度。

對(duì)于5103巷，當(dāng)下層細(xì)砂巖破壞后，與之相鄰的頁(yè)巖破壞模型轉(zhuǎn)化為圖3，仍然可以用式(1)進(jìn)行承載力的計(jì)算分析。由式(1)可以看出，頂板第一層巖層厚度對(duì)頂板的拉伸破壞具有決定性作用，利用錨桿支護(hù)后，5103巷道接頂下部?jī)蓪蛹?xì)砂巖和一層頁(yè)巖被錨固到一起，頂板淺部巖層厚度由1.1 m增加到2.3 m，為前者的2.09倍，根據(jù)式(1)計(jì)算得，支護(hù)后頂板表面抗拉承載力為支護(hù)前的4.3倍。因此，提高巖層表面抗拉強(qiáng)度是多軟弱層復(fù)合頂板破壞控制的主要內(nèi)容。

2.2 現(xiàn)用支護(hù)方案分析

5103巷現(xiàn)用支護(hù)方案見(jiàn)圖4。

圖4 5103巷現(xiàn)用支護(hù)方案圖

根據(jù)上述分析，現(xiàn)用支護(hù)方案存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1)頂板錨桿的支護(hù)使巷道淺部軟硬巖組合在一起，但錨桿之間相互獨(dú)立，彼此間缺少聯(lián)系，相鄰錨桿之間存在未被支護(hù)的淺層巖體，頂板下沉產(chǎn)生的拉應(yīng)力將率先使上述位置發(fā)生拉伸破壞。

2)錨桿托盤(pán)為混凝土，承載力較弱，動(dòng)壓作用下發(fā)生破壞使錨桿失效。

3)車(chē)場(chǎng)寬度達(dá)到4.5 m，錨桿形成的組合梁長(zhǎng)度較大，錨索數(shù)量較少，且彼此間缺少必要的聯(lián)系，僅起到懸吊作用，錨索支護(hù)作用未能得到充分發(fā)揮。

4)5103巷沿煤層頂板掘進(jìn)，兩幫及底板均為強(qiáng)度較弱的煤體，由上述分析可知，對(duì)兩幫的加強(qiáng)支護(hù)能大幅度減小梁拱破斷時(shí)向外偏移的跨度距離，降低頂板拉應(yīng)力的峰值，保護(hù)頂板的穩(wěn)定性。

2.3 “鋼錨”聯(lián)合控制技術(shù)

基于上述分析，本文對(duì)5105巷道車(chē)場(chǎng)原有支護(hù)方案進(jìn)行改進(jìn)，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖5。

圖5 “鋼錨”聯(lián)合支護(hù)方案圖

1)優(yōu)化錨桿、錨索布置方式，增加錨桿長(zhǎng)度到2.2 m，使巷道直接頂下部3層巖體能更牢固地組合在一起。

2)利用W型鋼帶將錨桿支護(hù)聯(lián)系在一起，形成“鋼帶錨桿”，平均分配各錨桿軸力，分擔(dān)頂板淺部巖層變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力，同時(shí)，通過(guò)鋼帶的變形對(duì)頂板表面施加法向第三主應(yīng)力，提高圍巖自身的承載能力。

3)通過(guò)11#工字鋼將錨索支護(hù)整合成一個(gè)整體，形成“鋼梁錨索”，在起到懸吊作用的同時(shí)，增加頂板的抗彎剛度，降低頂板彎曲變形量，進(jìn)而減小頂板下部巖體承受的拉應(yīng)力。

4)增加煤幫的支護(hù)強(qiáng)度，使其保持更好的穩(wěn)定性，支承頂板的上部荷載，減小梁拱破斷時(shí)向外偏移的跨度距離，達(dá)到間接支護(hù)頂板的目的。

2.4 工程應(yīng)用

為了驗(yàn)證“鋼錨”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)的可行性，在8103工作面相鄰的8105工作面5105巷車(chē)場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果見(jiàn)圖6。

目前，該工作面已經(jīng)回采結(jié)束，在8103及8105工作面回采過(guò)程中，5105巷車(chē)場(chǎng)均保持良好的穩(wěn)定性，頂板最大沉降量28.3 mm，雖然淺部表層產(chǎn)生部分裂紋，但頂板并未發(fā)生冒落破壞，保證了煤礦的安全生產(chǎn)和工作人員的人身安全。

3 結(jié) 論

1)多軟弱層復(fù)合頂板的破壞過(guò)程可以分為：拉伸起裂、裂隙貫通、局部冒落、大范圍冒落4個(gè)階段，頂板破壞程度逐漸增大。

2)復(fù)合頂板淺部巖層最大拉伸應(yīng)力與層厚的二次方成正比，5103巷錨桿支護(hù)前后，頂板表面抗拉承載力提高330％，此外，煤幫的穩(wěn)定對(duì)頂板拉應(yīng)力也有較大影響。

3)“鋼帶錨桿”+“鋼梁錨索”的“鋼錨”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在分別發(fā)揮錨桿、錨索各自支護(hù)作用的同時(shí)，通過(guò)鋼帶、工字鋼梁使上述支護(hù)體形成一個(gè)整體，增加頂板表面抗拉強(qiáng)度，降低巖體拉伸應(yīng)力。

4)工業(yè)性試驗(yàn)表明，“鋼錨”聯(lián)合支護(hù)后，5105巷車(chē)場(chǎng)頂板最大沉降量28.3 mm，回采過(guò)程中未發(fā)生冒頂事故，保證了煤礦的安全生產(chǎn)和工作人員的人身安全。

參 考 文 獻(xiàn)

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