張治高，朱慶文，萬(wàn) 曉，譚文峰，李廷春

(1.山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918；2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

深部特厚煤層巷道由于煤層與巖層相比強(qiáng)度較小，在大埋深情況下，巷道承受壓力大，但承載能力弱，圍巖松動(dòng)區(qū)域較大，且煤巖界面易發(fā)生離層破壞。統(tǒng)計(jì)表明：特厚煤層巷道變形破壞主要表現(xiàn)為頂板下沉、兩幫收斂、頂角破碎等特征，且在巷道開拓和維護(hù)期間易發(fā)生冒頂事故，嚴(yán)重制約煤礦的安全生產(chǎn)[1]。

專家學(xué)者針對(duì)特厚煤層巷道支護(hù)特別是針對(duì)頂板安全性防控進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的研究成果。嚴(yán)紅[2]針對(duì)軟弱煤層特大斷面巷道大變形和冒頂災(zāi)害控制難題，綜合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、實(shí)測(cè)和理論分析等方法，提出“多支護(hù)結(jié)構(gòu)體”控制系統(tǒng)，并在五家溝煤礦進(jìn)行運(yùn)用，效果良好。蘭奕文[3]應(yīng)用全錨索控制系統(tǒng)控制特厚煤層采動(dòng)巷道頂板變形，并研究了支護(hù)參數(shù)對(duì)頂板控制效果影響規(guī)律，將研究成果運(yùn)用于同煤大唐塔山礦2201進(jìn)風(fēng)巷道。張向東、郭玉峰、袁勝軍[4-6]針對(duì)特厚煤層大斷面巷道支護(hù)難題，運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，分別采用了 “錨-網(wǎng)-索”支護(hù)、“高預(yù)應(yīng)力樹脂錨固錨桿錨索組合”支護(hù)和“高強(qiáng)高預(yù)應(yīng)力錨桿(索)+金屬網(wǎng)+W型鋼帶+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)方案控制巷道變形。張鎖[7]利用FLAC3D研究預(yù)緊力對(duì)特厚煤層巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，指出合理施加預(yù)緊力可增加支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

上述研究成果極大地推動(dòng)了特厚煤層巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，但特厚煤層賦存地質(zhì)環(huán)境各異，尚沒有形成統(tǒng)一的支護(hù)設(shè)計(jì)體系和參數(shù)選取方法，對(duì)于埋深大的特厚松軟煤層巷道支護(hù)控制研究較少。本文以新巨龍煤礦2304N煤巷為工程背景，在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法，研究特厚松軟煤層巷道變形破壞特點(diǎn)和支護(hù)控制對(duì)策，期望為同類地質(zhì)條件下煤礦特厚松軟煤層巷道支護(hù)控制起到指導(dǎo)作用。

1 工程概況

山東新巨龍煤礦2304N煤巷掘進(jìn)工作面位于-810m水平二采區(qū)北翼，巷道埋深830m，開拓長(zhǎng)度560m，走向343°～18°，傾向73°～108°，平均傾角為5°，設(shè)計(jì)斷面為矩形，開拓寬度為5.1m、高4.15m。煤層賦存區(qū)域豎向應(yīng)力為20.5MPa、最大水平主應(yīng)力38MPa，煤層厚度為9.51m，松軟破碎，屬于典型的深部特厚松軟煤層。巷道沿底板掘進(jìn)，目的是形成采煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)，滿足采煤工作面回采時(shí)的行人、設(shè)備安裝、通風(fēng)的需要。

根據(jù)附近相似巷道掘進(jìn)和L-6鉆孔揭露資料，煤層直接頂為泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖性脆弱易破碎。煤層頂?shù)装鍘r性綜合柱狀圖如圖1所示，煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r性柱狀

巖層密度/(kg·m-3)體積模量/GPa黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)剪切模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa泥巖25152.371.13331.491.71煤13000.630.95280.380.86砂質(zhì)泥巖26003.511.3730.52.312.11粉砂巖250013.563.5319.752.56

2 特厚松軟煤層巷道變形特征及控制對(duì)策

2.1 特厚松軟煤層巷道變形特征

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研附近類似巷道可知，特厚煤層巷道在開拓和后期維護(hù)過(guò)程中巷道變形特征多樣，按照巷道變形部位可分為頂板失穩(wěn)、兩幫收斂和底板隆起變形，其中以頂板失穩(wěn)離層最為嚴(yán)重，常常引起冒頂事故[1-2]。

為研究2304N煤層巷道在無(wú)支護(hù)條件下變形特征，根據(jù)地層巖性，利用FLAC3D建立數(shù)值模型，模型幾何尺寸為45m×40m×10m，巷道開挖輪廓為5.1m×4.15m。模型共劃分72000個(gè)單元，81081個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用摩爾-庫(kù)倫模型，上邊界為應(yīng)力邊界，施加豎向應(yīng)力20.5MPa，水平應(yīng)力35MPa，方向指向模型內(nèi)部；下邊界固定、四周邊界施加水平約束。模型巷道的位移云圖見圖2，塑性區(qū)分布如圖3所示。由圖2、圖3可知，巷道頂板和兩幫塑性破壞范圍與底板相比較大，拉伸破壞區(qū)域出現(xiàn)在兩幫和頂板。

圖2 無(wú)支護(hù)條件下2304N巷道位移

圖3 無(wú)支護(hù)條件下2304N巷道塑性區(qū)分布

綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和數(shù)值模擬結(jié)果，巷道變形特征總結(jié)如下：

(1)頂板下沉量巨大 特厚松軟煤層巷道頂板為砂質(zhì)泥巖和泥巖復(fù)合頂板，巖性差別很大，頂板脆弱易折斷破碎，在巷道開拓時(shí)頂板出現(xiàn)離層現(xiàn)象。巷道頂板中心寬度約為2m、厚度為0.5m范圍內(nèi)出現(xiàn)拉伸和剪切破壞區(qū)，煤層均質(zhì)松軟承載強(qiáng)度較低，在拉剪應(yīng)力復(fù)合作用下，頂板破碎嚴(yán)重，易導(dǎo)致巷道出現(xiàn)冒頂?shù)仁鹿省?/p>

(2)巷道頂角擠壓破碎嚴(yán)重 開拓巷道斷面為矩形，易在兩幫頂角處產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)，數(shù)值模擬可見此位置處于剪切狀態(tài)，剪切破壞區(qū)域范圍約為3.5m。現(xiàn)場(chǎng)可見支護(hù)煤層從頂角處松散垮塌，被金屬網(wǎng)兜住，支護(hù)作用漸進(jìn)失效加速煤層巷道破壞。

(3)兩幫收斂量大 巷道開拓完成后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)改變，兩幫中間位置出現(xiàn)拉應(yīng)力，范圍約為0.5m，剪切應(yīng)力作用區(qū)域約為3～3.5m；巷道兩幫有明顯收斂趨勢(shì)，向內(nèi)側(cè)鼓出，兩幫中間位置位移值較大。

(4)底板隆起，煤巖交界處產(chǎn)生滑動(dòng)面 與其他部位相比，煤巷底板隆起量較小，煤層底板為砂質(zhì)泥巖地層，易在煤巖交界處產(chǎn)生剪切滑動(dòng)面，加速兩幫收斂。

2.2 特厚松軟煤層巷道控制對(duì)策

基于變形破壞特征，參照臨近巷道支護(hù)方案，根據(jù)地層條件、圍巖受力特性和塑性區(qū)破壞范圍，確定巷道支護(hù)重點(diǎn)在于控制巷道頂板變形。巷道頂角處需加強(qiáng)支護(hù)，增強(qiáng)頂幫支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，避免頂角破碎，降低圍巖在高地應(yīng)力條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)引起巷道整體垮落的風(fēng)險(xiǎn)。巷道兩幫除設(shè)置預(yù)錨桿和鋼帶支護(hù)外，應(yīng)打設(shè)錨索進(jìn)一步限制兩幫收斂變形，提高幫部圍巖抵抗剪切破壞能力[2]。

綜合上述分析研究，提出“錨帶網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)”方案：以預(yù)應(yīng)力錨桿、金屬網(wǎng)和鋼帶為基礎(chǔ)支護(hù)結(jié)構(gòu)，在圍巖錨桿長(zhǎng)度范圍內(nèi)形成加固區(qū)，改變圍巖受力狀態(tài)提高承載能力；頂板利用高強(qiáng)長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨索和錨索梁進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)，錨索穿過(guò)頂板離層區(qū)域，為頂板提供足夠錨固力；頂角處設(shè)置斜拉錨索和鋼帶，提高應(yīng)力集中區(qū)域圍巖抗剪切能力；幫部安設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索錨固承載區(qū)，施做完畢后巷道全斷面噴射混凝土覆蓋。

3 “錨帶網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)”方案

目前針對(duì)特厚松軟煤層巷道變形控制沒有成套理論和支護(hù)體系，需依據(jù)現(xiàn)有的支護(hù)技術(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件和同類巷道實(shí)例，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行選擇。國(guó)內(nèi)外針對(duì)巷道支護(hù)錨固理論研究的較為成熟，但每種理論有各自假設(shè)和適用條件，所計(jì)算的結(jié)果不盡相同。因此結(jié)合附近同類型巷道支護(hù)實(shí)際情況，利用多種理論計(jì)算分析，比選出適合的支護(hù)參數(shù)是一種較為可行的方法[8-12]。

3.1 支護(hù)參數(shù)選取

3.1.1 錨桿長(zhǎng)度計(jì)算

目前常用的錨桿長(zhǎng)度計(jì)算理論有懸吊理論、組合拱理論和組合梁理論，分別使用上述理論進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：

懸吊理論計(jì)算錨桿長(zhǎng)度：

(1)

組合拱理論計(jì)算錨桿長(zhǎng)度：

(2)

組合梁理論計(jì)算錨桿長(zhǎng)度：

(3)

式中，L為錨桿長(zhǎng)度，m；B為巷道開拓寬度，m；f為巖石堅(jiān)固性系數(shù)，取1.41；lm為錨桿錨固至穩(wěn)定巖層的深度，按經(jīng)驗(yàn)取0.5m；le為錨桿外露長(zhǎng)度，取0.15m；K為安全系數(shù)，取1.2；b為組合拱厚度，m，實(shí)測(cè)松動(dòng)圈的厚度為2～3m，b取1.4m；tanα為錨桿對(duì)破裂巖體控制角的正切值，一般取α=45°；a為錨桿的間距，取0.9m。

上述3個(gè)公式可求得錨桿長(zhǎng)度分別為2.45m，2.32m和2.45m，由圖2(a)可知在巷道兩幫2.5m范圍以外巷道收斂變形較小，因此選取錨桿長(zhǎng)度為2.5m。

3.1.2 錨索長(zhǎng)度計(jì)算

按照錨固巖層厚度計(jì)算錨索長(zhǎng)度：

(4)

式中，Lm為錨索長(zhǎng)度，m；S為懸吊巖層厚度，取煤層和軟弱頂板厚度總和為5.85m；l1為錨索錨入穩(wěn)定巖層的深度，取1.5m；l2為錨索外露長(zhǎng)度，取0.3m。

采用上式計(jì)算得錨索最小長(zhǎng)度為7.65m。

3.1.3 錨索間距計(jì)算

按照懸吊巖層重量計(jì)算錨索間距：

(5)

式中，Ls為錨索間距，m；B1為巷道最大冒落寬度，取5.1m；h為巷道最大冒落高度，取7.7m；L1為錨桿排距，m；γ為冒落巖體平均容重，取17.22kN/m3；θ為錨桿與巷道頂板夾角，取60°～80°；F1為錨桿錨固力，取130kN；F2為錨索極限承載力，取580kN；n為錨索排數(shù)，取2。將上述相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(5)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由上述計(jì)算結(jié)果可見錨索間距Ls≥2.5m，從支護(hù)安全的角度出發(fā)，取最小值為2.5m。根據(jù)巷道寬度考慮錨索梁和鋼帶支護(hù)效應(yīng)，頂板使用3根錨索。

表2 錨索間距計(jì)算

根據(jù)同類型地質(zhì)條件下巷道已使用支護(hù)材料，選用φ22mm螺紋鋼錨桿和φ21.8mm高強(qiáng)鋼絞線錨索。錨索長(zhǎng)度范圍為4～10m，考慮預(yù)應(yīng)力錨索張拉錨固，長(zhǎng)度增加0.3m，分別取兩幫和頂角錨索長(zhǎng)度為4.3m和6.3m，頂板錨索長(zhǎng)度為8.3m和10.3m；錨桿施加預(yù)緊力為50kN，錨索預(yù)緊力為100kN。采用如表3所示的模擬方案，研究錨索間排距和長(zhǎng)度對(duì)巷道變形影響特征。

在四川省鄉(xiāng)村旅游帶頭人赴臺(tái)灣培訓(xùn)的總結(jié)會(huì)中，所有參訪的學(xué)員都紛紛表示，臺(tái)灣桃米村導(dǎo)覽員的服務(wù)水平給他們留下了很深刻的印象，大家都十分認(rèn)同旅游服務(wù)品質(zhì)對(duì)塑造旅游目的地形象的重要作用。

表3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.2 支護(hù)方案數(shù)值模擬分析

3.2.1 頂?shù)装逦灰铺卣?/p>

5種支護(hù)方案下豎向位移具有對(duì)稱性，由圖4可得，頂板位移量分別是25.3cm，22.8cm，20.8cm，22.3cm，23.2cm。巷道底板為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度大于松軟煤層相，因此巷道底鼓量小且變化不大。

由方案3，4，5可見，錨索間排距的增大，使巷道頂板沉降增大、兩幫收斂量依次增加，巷道變形范圍也在擴(kuò)大。巷道頂部設(shè)置3根預(yù)應(yīng)力錨索，巷道頂板位移最大點(diǎn)處于錨索間距中心，當(dāng)未設(shè)置幫部錨索時(shí)，巷道水平應(yīng)力作用強(qiáng)烈，頂板位移最大點(diǎn)處于巷道中心。方案3中頂角處設(shè)置約束錨索，相對(duì)于方案1位移減少約25%。由各方案位移圖示可見，頂板錨索長(zhǎng)度為8.3m就可以錨固至穩(wěn)定巖層，增加長(zhǎng)度對(duì)控制頂板變形作用不明顯。

圖4 不同方案巷道位移

3.2.2 兩幫收斂特征

5種方案兩幫收斂量分別是44.4cm，39.3cm，35.10cm，34.92cm，36.2cm，巷道兩幫外側(cè)2.5m寬度范圍內(nèi)圍巖位移量較大。由方案1，2兩幫收斂數(shù)值可見幫部錨索對(duì)控制兩幫收斂起到明顯作用， 使用幫部錨索后，兩幫外側(cè)位移區(qū)域范圍和數(shù)值都大幅度減少，圍巖位移量減少了約38.4%。

3.2.3 圍巖應(yīng)力特征

不同支護(hù)方案巷道圍巖應(yīng)力分布如圖5所示，圍巖垂直應(yīng)力集中在巷道兩幫，可見兩幫和頂角錨索對(duì)控制兩幫變形起到了關(guān)鍵作用；巷道頂板應(yīng)力向錨索錨固區(qū)域不斷增大，預(yù)應(yīng)力錨索可控制拉應(yīng)力向圍巖內(nèi)部發(fā)展演化。

圖5 不同支護(hù)方案巷道應(yīng)力分布

當(dāng)錨索間排距較小時(shí)，對(duì)圍巖約束性增強(qiáng)，巷道圍巖所受壓應(yīng)力的范圍和數(shù)值較小，說(shuō)明圍巖在長(zhǎng)錨索、鋼帶和錨索梁的聯(lián)合作用下改變了圍巖的受力狀態(tài)，增加了其承載能力。隨著支護(hù)參數(shù)減弱，錨索對(duì)圍巖支護(hù)能力變小，圍巖受壓區(qū)域變大，而松軟煤層抗拉強(qiáng)度極低，極易發(fā)生破壞，導(dǎo)致巷道出現(xiàn)大變形現(xiàn)象，甚至發(fā)生冒頂事故。

施加錨桿和錨索預(yù)應(yīng)力可有效改善巷道圍巖受力狀態(tài)，提高圍巖承載能力，底板沒有錨桿錨索控制，承受拉應(yīng)力區(qū)域較大。由圖5(a)、(c)、(e)可見，錨索間排距增大，兩幫圍巖承受最大壓應(yīng)力的數(shù)值減小，不利于控制圍巖穩(wěn)定性。在5個(gè)模擬方案中，方案3圍巖變形量最小，圍巖承載應(yīng)力較高，支護(hù)方案較為合理。

綜合上述分析，方案3支護(hù)效果最優(yōu)。數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果差別不大，考慮現(xiàn)場(chǎng)鋼帶、錨索梁和噴射混凝土相互作用，實(shí)際支護(hù)的效果要遠(yuǎn)勝于數(shù)值模擬結(jié)果。

4 現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐與監(jiān)測(cè)

4.1 “錨帶網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)”方案工程應(yīng)用

基于上述研究成果，新巨龍煤礦2304N煤巷支護(hù)采用圖6所示布置方式。其中：錨桿為φ22mm×2.5m等強(qiáng)螺紋鋼式樹脂錨桿，型號(hào)為MSGLD-600(X)，屈服強(qiáng)度≥600MPa，桿體屈服力≥230kN，施加預(yù)緊力50kN，間排距為0.9m×0.9m，頂角錨桿向巷道兩幫傾斜20°，施工使用20T錨桿拉力計(jì)和MYJ-750扭矩扳手，擰緊力矩不小于400N·m；頂板錨桿與W型鋼帶配合使用，壓住鋼筋網(wǎng)緊貼圍巖，鋼帶長(zhǎng)4.8m，眼距0.9m，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為6.0mm，網(wǎng)孔尺寸10cm×10cm；頂板鋼帶之間打設(shè)長(zhǎng)4.2m錨索梁，由3根錨索錨固，頂板錨索間排距為2.0m×1.8m,使用長(zhǎng)度為φ21.8mm×8.3m高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，施加預(yù)緊力為100kN。頂角錨索和幫部錨索采用φ21.8mm高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度分別為6.3m和4.3m。

圖6 巷道支護(hù)布置

巷道兩幫支護(hù)如圖7所示，幫部上分層采用3根錨桿配合長(zhǎng)2.1m 、寬0.2m的上分層T型鋼帶支護(hù)，靠近頂角處錨桿按10°仰角安設(shè)；幫部下分層采用2根錨桿配合長(zhǎng)1.2m 、寬0.2m的下分層T型鋼帶支護(hù)。兩幫各打設(shè)3根幫部錨索，間排距1.45m×1.8m，上部按45°仰角安設(shè)1根頂角錨索，中下部安設(shè)2根幫部錨索，施加預(yù)緊力數(shù)值與頂板支護(hù)一致。

圖7 巷道兩幫支護(hù)布置

4.2 支護(hù)效果監(jiān)測(cè)

巷道支護(hù)過(guò)程中選取2個(gè)斷面安裝離層儀和表面收斂?jī)x，支護(hù)施做完畢后，對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示兩幫收斂數(shù)值為3.65cm，頂板最大下沉量為1.93cm，最大離層位移為0.8cm；施做完畢至頂板下沉過(guò)程中，頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。

采用鉆孔窺視儀對(duì)支護(hù)完成后的巷道頂板進(jìn)行鉆孔探測(cè)，頂板鉆孔3處、幫部鉆孔2處，鉆孔深度均為10m。由鉆孔影像可見，在巷道頂板0.4m范圍內(nèi)可見頂板煤層內(nèi)出現(xiàn)裂隙，裂隙發(fā)育，且距離巷道頂板越近裂隙寬度較大。在巷道2.5m，5.6m處可觀測(cè)到離層現(xiàn)象，一處鉆孔處可見巖層分離，其余位置鉆孔孔壁光滑沒有看到明顯的離層現(xiàn)象和裂隙發(fā)育擴(kuò)展情況。幫部鉆孔在距巷道壁0.5m內(nèi)可見裂隙發(fā)育，其余位置未發(fā)現(xiàn)裂隙發(fā)育擴(kuò)展現(xiàn)象、鉆孔窺視結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了“錨帶網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)” 方案對(duì)松軟特厚煤層巷道控制效果。

5 結(jié) 論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，針對(duì)深部特厚松軟煤層巷道支護(hù)控制進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和數(shù)值模擬分析可得特厚松軟煤巷主要的變形破壞特征為：頂板下沉量巨大，頂角擠壓破碎，兩幫收斂嚴(yán)重，底板煤巖交界處產(chǎn)生滑動(dòng)面，加劇巷道變形。

(2)針對(duì)特厚松軟煤巷變形破壞特征，采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行選取和優(yōu)化，提出“錨帶網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)”方案，利用預(yù)應(yīng)力錨桿、金屬網(wǎng)和鋼帶為基礎(chǔ)支護(hù)結(jié)構(gòu)，在圍巖2.5m范圍內(nèi)形成加固區(qū)，使用預(yù)應(yīng)力錨索和錨索梁強(qiáng)化加固區(qū)，全斷面噴射混凝土封閉圍巖。

(3)從新巨龍煤礦2304N特厚松軟煤巷支護(hù)實(shí)例可見，采用“錨帶網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)”方案后頂板和兩幫變形符合煤礦安全要求，處于穩(wěn)定狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和鉆孔窺視結(jié)果可以驗(yàn)證支護(hù)效果，可為同類型巷道支護(hù)提供經(jīng)驗(yàn)。