祁雨鵬

(晉能控股煤業(yè)集團 趙莊煤業(yè)，山西 長治 046600)

1 工程概況

山西晉煤集團趙莊煤業(yè)有限責任公司1312工作面井下位于一盤區(qū)，工作面開采3號煤層，煤層平均厚度4.75 m，平均傾角5°，頂底板巖層特征見表1。1312運輸巷道煤層底板掘進，掘進斷面為矩形，凈斷面尺寸為寬×高=5.4 m×4.4 m。由于巷道頂板巖層呈層狀賦存，頂板屬于復合頂板，為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，特進行復合頂板圍巖控制技術研究分析。

表1 煤層頂底板巖層特征

2 復合頂板變形失穩(wěn)機理

2.1 頂板失穩(wěn)機理分析

根據眾多工程實踐的統(tǒng)計結果可知[1-3]，復合頂板的失穩(wěn)主要表現重力驅動型失穩(wěn)和離層撓曲型失穩(wěn)兩種形式。重力驅動型失穩(wěn)為巷道掘進期間，在無支護條件下，隨著控頂距的不斷增大，頂板在自重應力和構造應力的作用下會不斷彎曲變形，隨后發(fā)生失穩(wěn)；離層撓曲型失穩(wěn)為巷道服務期間，由于頂板巖層呈現為層狀賦存，在采掘擾動下存在的頂板離層、撓曲現象，且該種現象存在著較大的隱蔽性和突發(fā)性。現根據1312運輸巷道的特征，主要分析巷道在支護條件下的離層撓曲型失穩(wěn)機理。

針對復合頂板巖層，由于其自身具有分層薄、層間粘聚力差的特征，若巷道在采用高預應力錨網索支護后，頂板巖層的穩(wěn)定性會顯著提高，但隨著巷道服務時間的延長，頂板巖層在流變和采動影響下，圍巖的變形不斷加劇。頂板中的泥巖受水和風化的影響較大，致使巷道頂板巖層出現風化破碎的現象，導致巷道錨桿索的預應力出現一定程度的損失，錨桿索支護對頂板巖層的主動支護作用便會大幅減小。

復合頂板巖層在下沉過程中，巖層層間會產生一定的剪切作用力，當巖層層間的剪切作用力大于支護系統(tǒng)中的剪切阻抗時，頂板巖層中便會出現明顯的離層錯動現象；隨著巷道服務時間不斷延長，錨索的支護狀態(tài)會發(fā)生改變，頂板巖層在自重和構造應力作用下不斷發(fā)生彎曲變形，當巷道頂角的剪應力超出巖體的剪切強度后，巖層會以一定的角度呈現漸次向上破壞的特征，已發(fā)生破壞的巖體在頂板錨桿的組合作用和錨索的懸吊作用下未發(fā)生垮落，但隨著頂板巖層破壞范圍的不斷增大，當應力大于錨桿索的極限強度時，錨桿索便會破斷，致使支護強度大幅降低。當頂板的支護強度小于圍巖壓力時，頂板巖層2～3 m范圍內的軟弱巖層便會出現切落式失穩(wěn)的特征，見圖1。

圖1 復合頂板巷道頂角破壞特征現場

2.2 變形失穩(wěn)主要影響因素

由于巷道地質條件較為復雜，影響頂板失穩(wěn)的因素較多，結合眾多理論研究和工程實踐結果可知[4-6]，復合頂板變形失穩(wěn)的主要影響因素包括煤幫承載特征、軟弱夾層、頂板水及錨桿索工作狀態(tài)四個方面，具體分析如下：

1) 煤幫承載特征：煤幫作為復合頂板巖梁的載體，其破壞程度和范圍會直接影響頂板的支撐方式，根據相關研究可知[7]，當頂板為復合頂板時，煤幫在強支護和弱支護方式下，圍巖塑性區(qū)的分布特征如圖2所示。從圖中能夠看出，當松弱煤幫對頂板的支撐強度低時，復合頂板不僅會在巷道跨度內發(fā)生破壞，還會在煤體內部一定深度的頂板內發(fā)生破壞，進而使巷道頂板出現變形失穩(wěn)。

圖2 煤幫不同支護強度下圍巖塑性區(qū)分布

2) 軟弱夾層的影響：頂板巖層中的軟弱夾層是頂板結構中的薄弱部分，其對頂板巖層的變形存在著較大的影響，頂板中軟弱夾層的存在易使頂板出現沿層破壞，導致頂板巖層中出現較大范圍的離層，使得頂板巖層抵抗變形的能力大幅降低，巷道頂板冒頂和垮落高度會不斷增大。針對軟弱夾層的頂板，應盡量采用高延伸率的支護結構以適應圍巖的變形特征。

3) 頂板水的影響：由于頂板巖層中存在的泥巖等巖層具有遇水易軟化的特征，軟化后巖體的承載能力會大幅降低，導致頂板所需的支護強度變大。在設計支護方案時應盡可能地提高護表構件的強度和剛度，提供充分的預應力擴散條件，增大護頂面積，保障表面圍巖的穩(wěn)定。

4) 錨桿索工作狀態(tài)影響：錨桿索的工作狀態(tài)會直接影響頂板的支護強度，錨桿索失效后，頂板巖層的支護強度會大幅降低，使巷道頂板出現變形失穩(wěn)。為充分保障復合頂板巖層的穩(wěn)定，在設計支護方案時，應盡量一次支護到位，最大限度地提高頂板的支護強度。

3 圍巖控制技術

3.1 支護方案

根據上述分析結果，結合1302運輸巷道的地質條件，確定巷道的支護應堅持長短、強弱結合、支護疏密結合的原則。針對軟弱黏結層狀頂板，采用錨桿索協調支護，充分發(fā)揮高增阻、強初撐和高工作阻力的特征，提高巷道幫部支護強度，具體支護方案如下：

1) 頂板支護：頂板采用全錨索支護，錨索由1×19股高強度低松馳鋼絞線剪切而成,D22 mm，長度6 300 mm，型號SKP22-1/1720-6 300 mm，間排距為1 200 mm×1 200 mm，全部與頂板垂直打注。每排5根錨索，靠幫側錨索距幫400 mm。托盤采用高強度碟形托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，設計錨固力不小于400 kN，預緊力不小于250 kN，外露長度150～250 mm。鋼筋托梁：采用D14 mm的鋼筋焊接，寬80 mm，長度4.9 m，型號T4900×80/14-80×100，在安裝錨桿位置處焊接兩段縱筋，縱筋間距100 mm，采用10號鐵絲編織的金屬菱形網護頂，型號LW10/70-1.35×5.8，網片規(guī)格為5.8 m×1.35 m，網孔規(guī)格為70 mm×70 mm。

2) 巷幫支護：錨桿采用型號為MSGLW-500/22-2400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，長度2.4 m，托盤采用拱型高強度托盤，規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，錨桿間排距950 mm×1 200 mm，錨固方式為加長錨固，預緊力矩不小于400 N·m，頂底角錨桿與水平線角度為10°，其它均與巷幫垂直，幫部錨索采用1×7股高強度低松馳鋼絞線，型號為SKP17.8-1/1860-5 300 mm，托盤采用高強度碟形托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，垂直巷幫打注，設計錨固力不小于150 kN，預緊力不小于140 kN，同樣采用10號鐵絲編制的金屬網進行護幫，采用鋼筋托梁進行錨桿索間的連接。

1312運輸巷道巷道支護方案如圖3所示。

圖3 巷道支護方案斷面(mm)

3.2 效果分析

1312運輸巷道掘進期間，每間隔50 m布置1個巷道表面位移監(jiān)測站，對每個測站持續(xù)進行90 d的監(jiān)測作業(yè)，根據監(jiān)測結果得出巷道表面位移曲線如圖4所示。

圖4 巷道掘進期間圍巖變形曲線

分析圖4可知，巷道掘進期間，不同測站間的頂板下沉量及兩幫移近量曲線呈現為相同的變化趨勢，變形主要出現在0～40 d的范圍內，巷道掘出50 d后圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，最終頂板下沉量和兩幫移近量的最大值分別為72 mm和163 mm，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結 語

根據1312運輸巷道復合頂板的特征，通過理論分析的方式進行復合頂板變形失穩(wěn)機理的分析，得出影響頂板穩(wěn)定的主要影響因素，確定巷道高增阻、強初撐和高工作阻力，頂幫協調支護的支護原則，結合巷道特征進行具體錨桿索支護方案的設計，根據巷道掘進期間的圍巖變形監(jiān)測結果可知，圍巖變形量小，滿足回采巷道的使用要求。