智國(guó)軍，謝 榮，劉 潤(rùn)，任瑞平，鄭文翔，卜慶為，郭宇杰

（1.神華包頭能源有限責(zé)任公司 萬(wàn)利一礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014010）

地下巷道受到煤巖層賦存條件影響而支護(hù)問(wèn)題復(fù)雜且差異明顯，對(duì)煤礦切眼巷道支護(hù)安全穩(wěn)定帶來(lái)不利影響。一直以來(lái)，井工煤礦對(duì)大跨度切眼巷道的支護(hù)穩(wěn)定工程安全問(wèn)題尤為關(guān)注，多位專家學(xué)者從力學(xué)理論、工程實(shí)踐等角度開展研究[1-6]。勾攀峰等[7]基于梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型建立了回采巷道頂板錨固體穩(wěn)定性力學(xué)方程，為巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定判別提供了1種力學(xué)理論分析方法。針對(duì)復(fù)合層狀頂板條件巷道變形，謝建林等通過(guò)采取復(fù)合巖層簡(jiǎn)支梁撓曲力學(xué)模型分析，得出了以層間離層、法向拉應(yīng)力作為復(fù)合頂板離層穩(wěn)定性的預(yù)警判據(jù)[8-10]。卜慶為等研究巷道層狀巖層頂板垮落機(jī)理及其影響特征，并建立了層狀巖層頂板冒落拱形態(tài)及其高度估算的計(jì)算方程[11-12]。郭健卿[13]和鄭文翔[14]運(yùn)用疊加梁結(jié)構(gòu)模型分析巷道頂?shù)装宓氖芰ψ冃斡绊懱卣?，并揭示影響?fù)合頂?shù)装迨芰ψ冃蔚闹饕蛩亍ｋS著對(duì)巷道圍巖控制研究的不斷深入，大跨度巷道支護(hù)普遍以錨桿索主動(dòng)支護(hù)為主，提出了錨網(wǎng)索復(fù)合支護(hù)、錨桿索協(xié)調(diào)支護(hù)、錨索中心對(duì)稱支護(hù)、頂板分區(qū)控制等支護(hù)設(shè)計(jì)方案[9-18]。如今巷道圍巖控制研究取得有益成果頗多，但由于地層條件復(fù)雜，如萬(wàn)利一礦遇泥質(zhì)膠結(jié)砂巖頂板條件，這類弱膠結(jié)、弱夾層的復(fù)合頂板條件對(duì)大跨度切眼巷道的支護(hù)穩(wěn)定尤為不利，而切眼巷道的支護(hù)安全對(duì)煤礦正常安全生產(chǎn)影響嚴(yán)重。為此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)分析揭示泥質(zhì)膠結(jié)砂巖頂板的巷道受力破壞特征，通過(guò)對(duì)大跨度切眼巷道泥質(zhì)膠結(jié)砂巖頂板穩(wěn)定性力學(xué)分析，研究合理有效的支護(hù)對(duì)策和關(guān)鍵參數(shù)，改善現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際支護(hù)工程。

1 泥質(zhì)膠結(jié)砂巖頂板的巷道受力破壞特征

1）工程概況。萬(wàn)利一礦綜采207工作面布置如圖1，該工作面主采31上煤層（埋深在110 m左右），平均煤厚3.5 m，煤層傾角0°～8°，含夾矸1～2層；207切眼巷道矩形斷面（7 600 mm×3 500 mm）沿底掘進(jìn)，頂板為細(xì)、粉砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)且穩(wěn)定性差，屬軟弱-半堅(jiān)硬巖層，易發(fā)生頂板失穩(wěn)，底板為粉砂巖、細(xì)砂巖且泥質(zhì)膠結(jié)，切眼巷道頂?shù)装鍘r層賦存條件見(jiàn)表1。

圖1 207切眼巷道平面布置Fig.1 Layout plan of 207 cutting roadway

表1 切眼巷道頂?shù)装鍘r層賦存條件Table 1 Occurrence conditions of roof and floor strata of cutting roadway

2）切眼巷道破壞變形情況現(xiàn)場(chǎng)宏觀分析。207切眼巷道頂板為泥質(zhì)膠結(jié)砂巖頂板，泥質(zhì)膠結(jié)致砂巖頂板層間黏結(jié)力差，抗剪強(qiáng)度低，極易發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)離層；泥質(zhì)膠結(jié)影響砂巖頂板圍巖的承載穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)切眼巷道的圍巖彎曲變形明顯；加之207切眼巷道的跨度大，泥質(zhì)膠結(jié)砂巖頂板的主動(dòng)支護(hù)作用的效果限制。

2 錨索作用下切眼巷道泥質(zhì)膠結(jié)砂巖頂板穩(wěn)定性

2.1 錨索懸吊作用下頂板穩(wěn)定性力學(xué)建模

以錨桿錨固范圍內(nèi)復(fù)合頂板梁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，以復(fù)合頂板簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)[13-14,19-21]構(gòu)建泥質(zhì)膠結(jié)砂巖頂板錨索懸吊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析力學(xué)模型，錨索懸吊作用下復(fù)合梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型示意圖如圖2。

圖2 錨索懸吊作用下復(fù)合梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型示意圖Fig.2 Mechanical model of composite beam structure under cable suspension

在垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的作用下，層狀頂板梁變形方程[13-14]為：

式中：wm為梁變形撓度，m；Mm（x）為層狀頂板梁

將邊界條件與式（4）～式（6）聯(lián)立，整理得：

式中：A0、B0為梁結(jié)構(gòu)起始端節(jié)點(diǎn)系數(shù)。

2.2 工程實(shí)例計(jì)算

根據(jù)萬(wàn)利一礦207工作面切眼巷道圍巖條件可知，切眼巷道為矩形斷面，跨度L=7.6 m，所處原巖垂直應(yīng)力pv=3 MPa（埋深110 m），側(cè)向應(yīng)力系數(shù)λ=1.2，復(fù)合梁介質(zhì)彈模E=0.427 GPa，頂板錨固梁結(jié)構(gòu)厚度D=2 m（頂板采取長(zhǎng)度為2.4 m錨桿支護(hù)布置），錨索支護(hù)布置以巷道斷面中心線對(duì)稱等間距布置，出于安全富余考慮，取頂板錨索懸吊作用集中力Fc=400 kN（錨索拉拔力極限荷載510 kN的80%）。將以上參數(shù)代入式（4）和式（6）～式（7）分析頂板穩(wěn)定性，錨桿長(zhǎng)度和錨索布置密度對(duì)頂板錨固圍巖承載變形作用如圖3～圖4。

由圖3可知，錨桿錨固范圍越大可提高泥質(zhì)膠結(jié)砂巖復(fù)合巖層共同承載能力，錨桿將泥質(zhì)膠結(jié)砂巖頂板錨固于一體實(shí)現(xiàn)共同承載，對(duì)層間錯(cuò)動(dòng)起到抑制作用；由于切眼巷道跨度大，錨桿錨固范圍外仍可能產(chǎn)生深部離層，配合錨索懸吊支護(hù)尤為重要。

由圖4可知，1～2根錨索布置時(shí)頂板下沉嚴(yán)重，4～5根錨索布置時(shí)頂板下沉控制效果較好；錨索布置密度增加是支護(hù)反力增強(qiáng)以及頂板錨固體跨度減小，使得泥質(zhì)膠結(jié)砂巖復(fù)合巖層頂板錨固體穩(wěn)定性及其抵抗變形作用效果得以改善，但過(guò)多的錨索支護(hù)布置造成支護(hù)成本高且速度緩慢，分析認(rèn)為取錨索布置4～6根較為適合。

3 207工作面切眼巷道支護(hù)技術(shù)

3.1 支護(hù)方案

通過(guò)力學(xué)理論分析指導(dǎo)207工作面切眼巷道泥質(zhì)膠結(jié)砂巖頂板支護(hù)設(shè)計(jì)，提出“預(yù)應(yīng)力鋼錨桿+鋼筋網(wǎng)+錨索+鋼帶”主動(dòng)聯(lián)合支護(hù)方案，207切眼巷道支護(hù)布置斷面示意圖如圖5。

圖3 錨桿長(zhǎng)度對(duì)頂板錨固圍巖承載變形作用Fig.3 Bearing deformation effect of bolt length on roof anchoring surrounding rock

圖4 錨索布置密度對(duì)頂板錨固圍巖承載變形作用Fig.4 Bearing deformation effect of cable arrangement density on roof anchoring surrounding rock

圖5 207切眼巷道支護(hù)布置斷面示意圖Fig.5 Schematic diagram of 207 cutting roadway support layout section

頂板錨桿采用φ18 mm×2 100 mm螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm；錨索采用φ17.8 mm×8 000 mm和φ17.8 mm×6 500 mm的鋼絞線（中部3根8.0 m錨索且間距1 400 mm，兩側(cè)6.5 m錨索且距幫部600～700 mm，排距2 000 m），并用W型鋼帶連接，頂板網(wǎng)采用鋼筋網(wǎng)；正幫（推進(jìn)方向煤體內(nèi)）錨桿采用規(guī)格為φ18 mm×2 100 mm玻璃鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，最上排錨桿距頂400 mm，副幫錨桿采用φ16 mm×1 800 mm圓鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，最上排錨桿距頂板400 mm；正幫網(wǎng)采用阻燃塑料網(wǎng)，副幫網(wǎng)采用鋼筋網(wǎng)布置,，底板鋪240 mm厚混凝土。

3.2 錨固頂板支護(hù)穩(wěn)定性力學(xué)求解

根據(jù)式（4）和式（7）得出錨索懸吊作用下層狀頂板梁力學(xué)模型的最大撓度wmax，并以錨索懸吊承載頂板垮落區(qū)域的巖體重力載荷，頂板彎曲變形量作為評(píng)價(jià)錨索懸吊結(jié)構(gòu)承載穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，得出頂板圍巖-支護(hù)共同承載的穩(wěn)定性判別條件方程：

式中：n為錨索數(shù)目，當(dāng)前錨索布置5根；ρ為頂板巖體密度，當(dāng)前取2 600 kg/m3；g為重力加速度，m/s2，取10 m/s2；Hb為頂板垮落范圍的最大高度，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲悉207切眼頂板垮落高度在4 m左右；［w］為頂板彎曲變形量，mm，考慮錨索拉伸延展率取為10%錨索長(zhǎng)度lms；L為跨度，當(dāng)前取7.6 m；wmax為頂板彎曲最大變形量，mm。

結(jié)合式（4）和式（6）～式（7）計(jì)算，得：

通過(guò)207工作面切眼巷道泥質(zhì)膠結(jié)砂巖頂板圍巖-支護(hù)共同承載的穩(wěn)定性判別計(jì)算可知，207工作面切眼巷道錨索懸吊承載頂板垮落區(qū)域的巖體重力載荷穩(wěn)定，頂板彎曲變形量在錨索懸吊結(jié)構(gòu)承載穩(wěn)定范圍內(nèi)，所提出的支護(hù)設(shè)計(jì)方案滿足安全要求。

3.3 工程現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果反饋分析

工程現(xiàn)場(chǎng)在位于207切眼巷道端部和中部頂板的錨索上布置安裝GMY400礦用本安型錨索測(cè)力計(jì)，同時(shí)進(jìn)行巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)。當(dāng)前207切眼巷道頂板測(cè)力計(jì)顯示錨索受力90～103 kN，且未超過(guò)錨索極限載荷；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)切眼巷道的變形監(jiān)測(cè)顯示，頂板變形最大190 mm，巷幫變形最大60 mm，說(shuō)明207切眼巷道的圍巖控制效果良好。

4結(jié) 語(yǔ)

1）泥質(zhì)膠結(jié)致砂巖頂板層間黏結(jié)力差，抗剪強(qiáng)度低致其載能力差，極易發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)離層；又因?yàn)榍醒巯锏赖目缍容^大，導(dǎo)致頂板彎曲變形明顯。

2)以錨桿錨固范圍內(nèi)復(fù)合頂板梁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，運(yùn)用層狀梁力學(xué)模型推導(dǎo)得到復(fù)合頂板梁錨索懸吊穩(wěn)定性力學(xué)分析方程以分析判別切眼巷道支護(hù)穩(wěn)定性。

3）錨桿支護(hù)將泥質(zhì)膠結(jié)砂巖頂板錨固，進(jìn)而對(duì)層間錯(cuò)動(dòng)起到抑制作用；錨索布置提供可靠支護(hù)反力和減小頂板錨固體跨度，提高頂板錨固體穩(wěn)定以改善變形效果。提出“預(yù)應(yīng)力鋼錨桿+鋼筋網(wǎng)+錨索+鋼帶”的主動(dòng)聯(lián)合支護(hù)對(duì)策，現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明切眼巷道頂板控制效果良好且滿足安全生產(chǎn)要求。