段 龍

（汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦，山西 孝義 032303）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平的不斷提升，使得各行業(yè)發(fā)展對(duì)煤炭資源的使用量需求越來越大。然而，在實(shí)際開發(fā)煤礦資源過程中，開采量與掘進(jìn)作業(yè)安全性容易受到所處巖體環(huán)境的影響，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生垮冒突發(fā)問題。為解決這一問題，研究人員應(yīng)將現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)成果充分利用起來，對(duì)煤礦開采所處的大斷面軟弱復(fù)合頂板巷道巖層環(huán)境進(jìn)行受力分析，以提高支護(hù)方案模擬效果。如此，就能最大程度的降低巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降量與變形影響，進(jìn)而對(duì)頂板變形問題進(jìn)行有效控制。

1 研究大斷面軟弱復(fù)合頂板巷道支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，煤礦工程開采現(xiàn)場存在大量復(fù)雜困難巷道的安全支護(hù)問題。其中大斷面軟弱復(fù)合頂板巷道，是典型的復(fù)雜困難型巷道。巷道現(xiàn)場開采作業(yè)的難點(diǎn)在于，沒有安全可靠的錨固點(diǎn)可供錨桿索支護(hù)。此外，巖層性質(zhì)軟弱，導(dǎo)致掘進(jìn)作業(yè)容易增加支護(hù)擾動(dòng)的敏感程度。不同巖層的性質(zhì)差異大，會(huì)以離層擴(kuò)散狀態(tài)造成支護(hù)變形問題發(fā)生。大斷面則增加了巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)頂板的受拉影響。上述不良地質(zhì)條件，均會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷頂板巷道支護(hù)增加變形問題發(fā)生率，進(jìn)而降低巷道支護(hù)作業(yè)效果。經(jīng)對(duì)以往此類巷道支護(hù)作業(yè)情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大斷面軟弱復(fù)合頂板巷道建設(shè)具有支護(hù)難度大、服務(wù)變形機(jī)率大以及垮冒突發(fā)性高等特點(diǎn)。為解決上述失穩(wěn)問題，研究人員提出了多種支護(hù)技術(shù)，如注漿與錨桿支護(hù)聯(lián)合控制技術(shù)、基于復(fù)合頂板變形特征的錨桿索預(yù)緊力控制技術(shù)、支護(hù)系統(tǒng)護(hù)表技術(shù)以及錨索支護(hù)技術(shù)。具體技術(shù)實(shí)踐，需對(duì)支護(hù)選擇材料的適用性與變形控制效果進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以確定巷道頂板離層變形的特征條件，以及巷道變形現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理。本文采用了桁架錨索與錨桿聯(lián)合支護(hù)控制方法，通過進(jìn)一步分析其結(jié)構(gòu)作用機(jī)理與作業(yè)參數(shù)，以期為復(fù)雜巖層環(huán)境下的煤礦資源開采提供一些理論依據(jù)[1]。

2 大斷面軟弱復(fù)合頂板巷道支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 桁架錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)

大斷面軟弱復(fù)合頂板巷道支護(hù)的桁架錨索，是指巷道兩肩窩部位的深部巖體，在受壓影響下設(shè)置的錨固點(diǎn)與支護(hù)結(jié)構(gòu)。具體控制過程，就是借助高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，來提高張拉力效果，進(jìn)而強(qiáng)化頂板所處錨固區(qū)域圍巖的穩(wěn)定性[2]。此支護(hù)結(jié)構(gòu)，可施與大斷面軟弱巖體一個(gè)水平預(yù)應(yīng)力，以調(diào)整處于復(fù)合結(jié)構(gòu)狀態(tài)頂板的應(yīng)力條件。不僅能夠提升低位巖體力學(xué)性能，還能有效控制厚層復(fù)合頂板離層與大變形問題影響。

2.2 桁架錨索受力分析

作用于頂板支護(hù)的桁架錨索，其能夠在錨索孔口受預(yù)緊力影響的條件下，形成主動(dòng)向上的推力。在有效控制巖體危險(xiǎn)截面拉應(yīng)力影響的同時(shí)，還要給巷道頂板的中性軸施加一個(gè)向下移動(dòng)的空間[3]。故而，可以判斷對(duì)預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)控，可最大程度的規(guī)避巖體危險(xiǎn)截面拉應(yīng)力所帶來的負(fù)面影響，進(jìn)而驅(qū)使其呈現(xiàn)出壓應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于巖石抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度的情況，多由巷道中間頂板受拉應(yīng)力影響而產(chǎn)生的破壞。采用桁架錨索支護(hù)，就是對(duì)頂板壓應(yīng)力進(jìn)行控制，以避免冒落現(xiàn)象發(fā)生。為桁架錨索支護(hù)系統(tǒng)受力示意圖，如圖1、圖2 所示。

圖1 桁架錨索支護(hù)頂板受力情況 圖2 桁架錨索受力情況

經(jīng)靜力計(jì)算，可確定受力過程中各力之間的關(guān)系如式（1）～式（4）：

式中：T 為橫錨索預(yù)緊力；F 為斜錨索預(yù)緊力；A 為斜錨索尾部沿桿體軸向方向?qū)敯宓淖饔昧Γ籋 為巷道與地表距離；R 為桁架錨索頂板作用力夾角；m、n 分別為槽鋼厚度與寬度。

2.3 桁架錨索與錨桿聯(lián)合控制方案模擬

某煤礦大采高綜采面的開切眼巷道作業(yè)，其所處的煤層環(huán)境厚度平均為4.3 m，切眼總長為150 m。為進(jìn)一步提升桁架錨索支護(hù)技術(shù)參數(shù)準(zhǔn)確性，采用了水平模型手段來設(shè)置開切眼。開切眼巷道兩側(cè)是實(shí)體煤環(huán)境，模型計(jì)算時(shí)，x 軸代表：沿著煤層走向；z 軸代表：鉛垂向上走向。由于巷道受變形影響的作為范圍較大，方案規(guī)劃設(shè)計(jì)人員結(jié)合彈塑性理論，將模型計(jì)算邊界確定為3 倍以外區(qū)域。具體就是，x 軸左右側(cè)各取25 m；z 軸朝著頂板巖層方向取15 m。方案設(shè)定在上邊界加設(shè)均布載荷條件下，開展結(jié)構(gòu)模型的簡化分析。其中底板巖層為11 m，開切眼高3.2 m，寬7 m，斷面面積為22.4 m2。計(jì)算使用的模型尺寸為50 m×60 m×28 m。具體模型形式采用：摩爾-庫侖[4]。

構(gòu)建桁架錨索與錨桿聯(lián)合控制方案模型時(shí)，因上部邊界屬應(yīng)力邊界環(huán)境，所以，采用均布荷載q 來代表應(yīng)力，數(shù)值為9.5 MPa；方案模型下部邊界屬固定狀態(tài)，可不考慮施加應(yīng)力問題。x 方向上桁架錨索與錨桿聯(lián)合控制的模型兩端鉸支，可以運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作用于yz方向。在其梁端施加水平初始應(yīng)力為－7.6 MPa；y 方向上模型兩端鉸支可以運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作用于xz 方向。由此可以判斷出，基于桁架錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)與作用機(jī)理的力學(xué)計(jì)算，可對(duì)桁架錨索、斜錨索和頂板的受力情況進(jìn)行確定。如此，就可為后續(xù)桁架錨索與錨桿聯(lián)合控制方案的模擬提供理論與實(shí)踐兩方面的支撐。

為進(jìn)一步確定不同排距的錨桿與錨索對(duì)桁架錨索聯(lián)合控制支護(hù)技術(shù)的影響，對(duì)比不同支護(hù)方案的效果差異，選取三個(gè)方面進(jìn)行分析研究。此過程，錨桿排距設(shè)置為0.8、1.1、1.4 m。以方案1 為例，巷道按照第一橫與第二橫的順序，依次開挖。其中y 方向開挖40 m。開挖第一橫后，巷道斷面頂板部位的最大沉降值為16.4 cm，兩幫底臌量與移進(jìn)量分別為12.3 cm、13.8 cm。第二橫開挖后，頂板沉降值增加9%，為17.9 cm。兩幫底臌量與移進(jìn)量分別為14.4、16.2 cm，增加量為17%[5]。

因切眼跨度寬為7 m，且變形量不突出，不會(huì)對(duì)巷道正常作業(yè)造成影響。此外，鉛垂向與水平向應(yīng)力分布狀態(tài)良好。為方案一模擬圍巖塑性破壞區(qū)作用范圍，如表1 所示。

表1 方案一模擬圍巖塑性破壞區(qū)作用范圍

由此可確定，運(yùn)用數(shù)值模擬分析方法，能夠確定煤礦切眼頂板聯(lián)合控制方案的作用效果，以及為后續(xù)具體參數(shù)模擬計(jì)算提供理論支撐。

3 關(guān)于大斷面軟弱復(fù)合頂板巷道支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例分析

該煤礦巷道開切眼作業(yè)的直接頂，是復(fù)合巖層，由煤線與泥巖組成，厚度平均在2.2 m。復(fù)合頂板以上的軟弱泥巖厚度在4～6 m 范圍內(nèi)。部分巖層含油泥質(zhì)砂巖。此外，軟弱巖層以上，是厚度為7～8 m 的含水K8 砂巖層。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與類比分析法，確定的出切眼支護(hù)方法為：兩次掘進(jìn)施工。頂板支護(hù)中的頂錨桿操作，選用左旋無縱筋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿。此過程，需保證錨桿預(yù)緊力矩超出140 N·m。其中單體錨索，應(yīng)選用高強(qiáng)度低松弛的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，具體長度為10.4 m。具體布置應(yīng)以交錯(cuò)狀態(tài)設(shè)置桁架與單體錨索。此外，桁架兩錨索間距應(yīng)設(shè)置為2 m。

在布置好表面位移監(jiān)測點(diǎn)后，經(jīng)對(duì)巷道掘進(jìn)作業(yè)過程進(jìn)行十字?jǐn)嗝娣槠? 個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測，分析得出巷道變形量較小[6]。具體監(jiān)測獲得結(jié)果為：頂板下沉160 mm；兩幫下沉量為135 mm。這意味著煤礦巷道圍巖結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定性良好狀態(tài)，雖初期掘進(jìn)巖層變形加快，但25 天以后，頂板變形速度趨緩，呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

大斷面軟弱復(fù)合頂板巷道具有支護(hù)難度大、服務(wù)變形機(jī)率大以及垮冒突發(fā)性高等特點(diǎn)。為保證巷道支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用效果，項(xiàng)目建設(shè)者應(yīng)在巖體、巖層受力分析的基礎(chǔ)上，采用聯(lián)合控制方案。即，桁架錨索與錨桿聯(lián)合控制方案，通過對(duì)其模擬優(yōu)化分析，確定方案運(yùn)用的科學(xué)合理性。事實(shí)證明，只有如此，才能降低大斷面軟弱復(fù)合頂板巷道支護(hù)的不穩(wěn)定影響，進(jìn)而控制頂板變形速度。煤礦工程建設(shè)者應(yīng)將上述分析內(nèi)容與科研結(jié)果更多地運(yùn)用于不同建設(shè)要求與地質(zhì)巖層的開采項(xiàng)目，以保證資源開發(fā)利用的安全性與可靠性，繼而推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步。