石花軍,張東華,鄭 哲,張玉江

(1.國(guó)家能源投資集團(tuán) 國(guó)神集團(tuán)上榆泉煤礦,山西 河曲 036500;2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024)

千萬(wàn)噸級(jí)礦井的建設(shè)不僅使單工作面的生產(chǎn)能力提高,同時(shí)增加了煤礦生產(chǎn)的安全性[1]。很多千萬(wàn)噸級(jí)別的礦井都是開(kāi)采特厚煤層且埋深較淺,此類(lèi)巷道的順槽頂板錨索支護(hù)是目前的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。例如,塔山煤礦2005年發(fā)生一起頂板事故,2014年寺河煤礦發(fā)生頂板事故,2019年6月大運(yùn)華盛莊旺煤業(yè)有限公司發(fā)生頂板事故。目前尚無(wú)行業(yè)公認(rèn)且權(quán)威的錨索支護(hù)方式,如何安全高效且經(jīng)濟(jì)合理地做好順槽頂板的錨索支護(hù)將成為重要研究方向。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在煤礦的錨索支護(hù)方面進(jìn)行了大量研究。康紅普[2-3]對(duì)錨索支護(hù)理論進(jìn)行了分析,并對(duì)小孔徑錨索預(yù)應(yīng)力損失影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;何滿(mǎn)潮等[4-5]研究了靜力拉伸下錨索的應(yīng)變特征,并研究了恒阻大變形錨桿力學(xué)特性及其工程應(yīng)用;董志宏等[6]分析了錨索的時(shí)效受力特征,得出了巖體蠕變、錨索初始張拉力、施工與應(yīng)力不均衡是錨索受力時(shí)效性的主要影響因素;田計(jì)宏[7]研究了大斷面煤層的破壞特征及控制技術(shù);李海燕等[8]研究了某新型高預(yù)應(yīng)力錨索及錨注聯(lián)合支護(hù);孟雷[9]、田臣等[10]、柳軍濤等[11]對(duì)礦山的錨索支護(hù)進(jìn)行了具體的研究。錨索支護(hù)通常是和錨桿支護(hù)聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行應(yīng)用和研究,錨索的作用通常是作為一個(gè)預(yù)應(yīng)力,在巷道頂板沉陷時(shí)起到懸吊作用,但很少有學(xué)者專(zhuān)門(mén)對(duì)淺埋深厚煤層的順槽頂板錨索支護(hù)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究。因此,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、工程概況調(diào)查、頂板窺視、錨索受力分析和頂板破壞機(jī)理總結(jié)，對(duì)淺埋深特厚煤層條件下的頂板順槽錨索支護(hù)進(jìn)行研究是非常重要的,可為類(lèi)似礦井(淺埋深特厚煤層)順槽頂板錨索支護(hù)提供依據(jù)和參考。

1 工程條件分析

1.1 井田地質(zhì)概況

以上榆泉煤礦1003工作面主運(yùn)輸順槽為研究對(duì)象。該井田上覆松散層厚度38.98～145.11 m,平均96.03 m;上覆基巖厚度67.29～108.15 m,平均85.94 m,屬于厚表土、薄基巖的淺埋深煤層。

10號(hào)煤層的頂板以砂質(zhì)泥巖為主,含有泥巖和砂巖,為較堅(jiān)硬—堅(jiān)硬巖,屬中等—難冒落的堅(jiān)硬頂板。厚度為4.5～18.8 m,平均11.5 m。10號(hào)煤層的頂板上面是9號(hào)煤層,9號(hào)煤層平均厚度2.82 m,平均傾角3°,現(xiàn)已開(kāi)采完。10號(hào)煤層全區(qū)賦存,厚度5.85～12.52 m,平均傾角3°,屬于特厚煤層。

1.2 頂板和煤的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試

在1003工作面的主運(yùn)順槽對(duì)10號(hào)煤層的頂板和10號(hào)煤進(jìn)行取樣,10號(hào)煤部分實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試件見(jiàn)圖1。在室內(nèi)做抗壓、抗剪、抗拉強(qiáng)度測(cè)試,有效實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出,10號(hào)煤層的平均抗壓強(qiáng)度是12.3 MPa,堅(jiān)硬程度屬于中軟質(zhì)巖中的軟巖；內(nèi)摩擦角比較小,僅有31.4°。直接頂?shù)纳百|(zhì)泥巖屬于中硬巖,平均抗壓強(qiáng)度達(dá)45.3 MPa,堅(jiān)硬程度屬于硬質(zhì)巖中的較堅(jiān)硬巖；內(nèi)摩擦角比較小,僅有40.6°。

圖1 10號(hào)煤實(shí)驗(yàn)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)試件Fig.1 Standard test specimens of No.10 coal seam

表1 10號(hào)煤及頂板的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 1 Testing results of physical and mechanical parameters of No. 10 coal seam and roof

1.3 工程概況

順槽支護(hù)采用矩形巷道,長(zhǎng)5.4 m,高3.4 m。錨索支護(hù)為每排1根錨索,排距2 000 mm,錨索距幫2 200 mm,第一根錨索距正幫2 200 mm,下一根錨索距副幫2 200 mm,再下一根錨索距正幫2 200 mm,以此循環(huán),左右交叉施工,采用“左右交叉邁步式”布置,每根錨索替代一根錨桿。錨索尺寸為Φ17.8 mm×8 000 mm,錨固力大于等于140 kN；樹(shù)脂藥卷為3卷CK2350,錨固端長(zhǎng)度不少于1 500 mm,外露長(zhǎng)度為150～250 mm,端頭錨固,每排1根錨索。錨索托盤(pán)規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。

現(xiàn)有的順槽頂板支護(hù)在短時(shí)間內(nèi)巷道變形極少，隨著時(shí)間的推移巷肩處的煤體逐漸變得較為破碎,巷肩處存在片幫現(xiàn)象。長(zhǎng)時(shí)間后偶爾發(fā)生順槽頂板整體沉降(如圖2所示)，嚴(yán)重時(shí)沉降能達(dá)到1 m,個(gè)別地段沉降能達(dá)到2 m,嚴(yán)重阻礙順槽無(wú)軌膠輪車(chē)的通行。上述支護(hù)效果說(shuō)明錨索對(duì)順槽圍巖變形的控制效果較差。

圖2 順槽煤層頂板整體沉降Fig.2 Overall roof subsidence of coal seam

2 頂板窺視

2.1 窺視概況

2018年10月采用CXK12礦用鉆孔成像儀對(duì)1003工作面的主運(yùn)順槽進(jìn)行煤層頂板窺視。選用Φ24 mm的小直徑鉆頭,窺視孔位置參數(shù)如表2所示。共窺視了6個(gè)孔,鉆孔直徑為31 mm,6個(gè)孔的鉆孔深度為5.5～8.7 m，6個(gè)鉆孔位置的煤層厚度從7.1 m到11.9 m不等。200 m距離煤層厚度變化最大的是5號(hào)和6號(hào)鉆孔,相差3.3 m,200 m距離煤層厚度變化最小的是4號(hào)和5號(hào)鉆孔,相差0.9 m,煤層的厚度變化不大。

表2 I031003工作面主運(yùn)輸順槽窺視孔參數(shù)Table 2 Peeping borehole parameters of main transportation gateway of I031003 working face

2.2 窺視結(jié)果

各個(gè)鉆孔的窺視有相似性,以2號(hào)鉆孔為例。2號(hào)鉆孔的窺視圖如圖3所示。

(a) 距孔口0.7 m

圖3中每個(gè)網(wǎng)格的距離是5 cm。從圖3(a)可以看出,煤層無(wú)水平裂隙,垂直方向煤層有不明顯的連續(xù)裂縫,此處煤層存在整體垮落的風(fēng)險(xiǎn)；煤層存在擠壓現(xiàn)象,原因是此處的煤受到錨桿預(yù)應(yīng)力的作用；煤層的完整性較好,說(shuō)明此處的錨桿支護(hù)起到了作用。從圖3(b)可以看出,此處距離頂板巖層1.3 m,無(wú)水平裂縫,煤層具有多條明顯的連續(xù)裂縫,裂縫寬度達(dá)5 mm,說(shuō)明此處受到的垂直方向剪應(yīng)力較大,且此處煤層存在整體垮落的風(fēng)險(xiǎn),原因是受到錨索錨固端力的影響。圖3(c)所處的位置距孔口7.8 m,更接近10號(hào)煤的頂板,豎直方向上的裂縫比圖3(b)更深更寬,此處煤層存在整體垮落的風(fēng)險(xiǎn),垂直方向受到較大的剪應(yīng)力,且有一個(gè)厚度約20 mm的夾層。圖3(d)所示位置距孔口8.5 m,也就是10號(hào)煤層和頂板交界的地方,此處煤層完整性較好,未見(jiàn)明顯的垂直裂隙,可見(jiàn)水平方向的層理,但水平方向上無(wú)明顯的裂隙。

圖3(a)—圖3(c)的位置為距孔口0.7～7.8 m,這么長(zhǎng)的距離范圍內(nèi)均可見(jiàn)垂直裂隙,說(shuō)明頂板煤層具有整體垮落的風(fēng)險(xiǎn)。圖3(d)中煤層在垂直方向均未見(jiàn)明顯的裂隙,水平方向僅見(jiàn)正常的層理面,說(shuō)明錨索錨固在煤層中是可行的,起到了應(yīng)有的懸吊作用。

3 錨索受力分析及頂板破壞機(jī)理

3.1 理論計(jì)算巷道圍巖破壞范圍

現(xiàn)有的錨桿(索)支護(hù)理論主要有懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論、最大水平應(yīng)力理論、圍巖松動(dòng)圈理論和圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論。根據(jù)頂板窺視結(jié)果可知,錨索應(yīng)采用懸吊理論,把整個(gè)免壓拱高度范圍內(nèi)的煤層重量全部承擔(dān)起來(lái)。上榆泉順槽煤層平均抗壓強(qiáng)度為12.3 MPa,巷道的兩幫冒落極少,屬于兩幫穩(wěn)定巷道。故按照普氏理論中的巷道兩幫穩(wěn)定情況進(jìn)行計(jì)算,免壓拱高的計(jì)算公式為:

(1)

式中:b為順槽免壓拱高度,m;a為免壓拱的半跨距,上榆泉的順槽寬度是5.4 m,故取2.7 m;f為煤層的普氏系數(shù),上榆泉煤層的平均抗壓強(qiáng)度是12.3 MPa,故f=1.23。

計(jì)算結(jié)果為b=2.20 m。

3.2 巷道頂部單位長(zhǎng)度的總載荷

錨索支護(hù)按照懸吊理論,錨索承載的受力范圍按照擴(kuò)大后的頂板跨度和擴(kuò)大后的免壓拱高度形成的矩形進(jìn)行計(jì)算,對(duì)于不穩(wěn)定的兩幫，考慮到錨桿已經(jīng)支護(hù)住了,錨索承載的受力范圍就不考慮巷道兩幫的不穩(wěn)定體,則礦用錨索設(shè)計(jì)的順槽單位寬度承載力計(jì)算公式為：

Qd=2×a×b×γ.

(2)

式中:Qd為巷道單位長(zhǎng)度的總載荷,kN/m;γ為煤層的容重,取14.5 kN/m3。

計(jì)算結(jié)果為Qd=172.3 kN/m。

3.3 現(xiàn)錨索設(shè)計(jì)錨固力分析

考慮到煤層頂板向下滑動(dòng)時(shí)需克服煤層的抗拉強(qiáng)度,煤層的平均抗拉強(qiáng)度為0.8 MPa,單位面積抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生的力為800 kN/m2,免壓拱范圍內(nèi)的煤層產(chǎn)生的抗拉強(qiáng)度抵抗力有3 520 kN/m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于免壓拱范圍內(nèi)煤層產(chǎn)生的巷道頂部載荷172.3 kN/m,故順槽初期形成時(shí)不需要錨索頂板也不會(huì)下沉,這和煤礦的實(shí)際情況一致。

事實(shí)上煤層是塑性體和彈性體的結(jié)合,導(dǎo)致煤層的受力不均且煤層的破壞是漸進(jìn)的,當(dāng)巷道壁上方煤層某一點(diǎn)的受力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞,隨著時(shí)間的推移破壞可能越來(lái)越快，也可能變形到一定程度后變形趨于穩(wěn)定。

錨索的作用就是預(yù)防在最壞情況下,當(dāng)免壓拱范圍內(nèi)的煤體全部脫離煤壁時(shí)對(duì)其起到懸吊作用,平時(shí)則通過(guò)懸吊作用減少煤壁頂板煤層垂直方向的應(yīng)力。上榆泉煤礦目前支護(hù)是每2排1根錨索,排距1 m,設(shè)計(jì)錨固力為140 kN,對(duì)巷道頂板的支撐載荷為70 kN/m,小于免壓拱產(chǎn)生的單位長(zhǎng)度總載荷172.3 kN/m。

結(jié)合前述的工程概況和頂板窺視結(jié)果,順槽頂板在初期受到煤層抗拉強(qiáng)度的影響,變形量小，時(shí)間長(zhǎng)后偶爾發(fā)生順槽頂板整體沉降，說(shuō)明上面的理論計(jì)算是正確的。剛開(kāi)始順槽形成時(shí),煤體抗拉強(qiáng)度起作用導(dǎo)致變形極小，時(shí)間長(zhǎng)后偶爾發(fā)生順槽頂板的整體沉降,說(shuō)明工程實(shí)際上存在免壓層煤體全部脫離煤壁的可能性,窺視結(jié)果也證明了此類(lèi)順槽存在頂板整體垮落的風(fēng)險(xiǎn)。

按最壞情況下免壓層煤體全部脫離煤壁時(shí)考慮,現(xiàn)有錨索支護(hù)強(qiáng)度70 kN/m,小于免壓拱產(chǎn)生的單位長(zhǎng)度總載荷172.3 kN/m,故上榆泉煤礦順槽頂板錨索支護(hù)強(qiáng)度不夠。

3.4 頂板破壞機(jī)理

淺埋深特厚煤層的頂板破壞機(jī)理如下。

1)順槽頂板開(kāi)挖形成初期,順槽煤壁頂板上的煤層受到錨桿壓力的作用形成一個(gè)整體，阻止煤層間的水平運(yùn)動(dòng),同時(shí)錨桿的拉力也把近頂板的不穩(wěn)定煤層牢牢固定在穩(wěn)定煤層中,順槽煤壁頂板上的煤層受到煤層抗拉強(qiáng)度的影響,頂板變形量極小,巷道頂板穩(wěn)定;

2)隨著時(shí)間的推移,順槽頂板受到頂板垂直壓力的影響,煤作為彈塑性體受力不均,導(dǎo)致順槽頂板煤層逐漸產(chǎn)生垂直方向的裂隙;

3)隨著時(shí)間的繼續(xù)增加,如無(wú)足夠的錨索懸吊力,裂隙逐漸擴(kuò)展并貫通,直到發(fā)生頂板整體垮塌事故。

根據(jù)淺埋深特厚煤層的頂板破壞機(jī)理,支護(hù)此類(lèi)頂板時(shí)錨索需按照懸吊理論,懸吊力大于煤層免壓拱的重量就能夠組織裂隙的擴(kuò)展和貫通,上述錨索受力分析準(zhǔn)確。

4 錨索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

4.1 錨固力優(yōu)化

頂板窺視圖(圖3)證明了此類(lèi)順槽頂板煤層確實(shí)存在整體垮落的風(fēng)險(xiǎn),錨索支護(hù)采用懸吊理論是正確的。故需加大錨索支護(hù)強(qiáng)度,錨索的設(shè)計(jì)承載力變?yōu)?00 kN,考慮到錨索的抗拉強(qiáng)度足夠,故只增加一卷樹(shù)脂錨固劑CK2350錨固劑,錨固段長(zhǎng)度變?yōu)? m。

4.2 間排距優(yōu)化

考慮到設(shè)計(jì)錨固力為200 kN,巷道單位長(zhǎng)度的總載荷為172.3 kN/m,依據(jù)《礦用錨索》標(biāo)準(zhǔn),將錨索支護(hù)變?yōu)槊颗?根錨索,錨索距幫各1.7 m,排距2 m,錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×8 000 mm,優(yōu)化后的錨索支護(hù)見(jiàn)圖4所示。根據(jù)優(yōu)化后的間排距,單位寬度巷道的支撐強(qiáng)度為200 kN/m,大于等于巷道頂部單位長(zhǎng)度載荷172.3 kN/m的要求。

(a) 斷面圖

5 結(jié)論

1)上榆泉煤礦頂板砂質(zhì)泥巖平均抗壓強(qiáng)度達(dá)45.3 MPa,堅(jiān)硬程度屬于硬質(zhì)巖中的較堅(jiān)硬巖;10號(hào)煤層的平均抗壓強(qiáng)度是12.3 MPa,堅(jiān)硬程度屬于中軟質(zhì)巖中的軟巖,平均抗拉強(qiáng)度是0.8 MPa。

2)根據(jù)順槽頂板窺視結(jié)果顯示,頂板煤層大部分范圍內(nèi)具有垂直裂隙,說(shuō)明頂板煤層具有整體垮落的風(fēng)險(xiǎn)。煤巖交界處無(wú)可見(jiàn)明顯的水平垂直裂縫,說(shuō)明錨索錨固在煤層中是可行的,起到了應(yīng)有的懸吊作用。

3)淺埋深特厚煤層順槽頂板破壞機(jī)理是頂板受到垂直壓力的影響而產(chǎn)生豎直裂隙,如無(wú)足夠的錨索懸吊力,裂隙逐漸擴(kuò)展并貫通,直到發(fā)生頂板整體垮塌事故。

4)錨固劑增加一卷CK2350;錨索間距為2 m,每排2根,排距為2 m。