董貴鵬, 徐海蕓

(1.山西長治聯(lián)盛西掌煤業(yè)有限公司,山西 長治 047100;2.山西長治聯(lián)盛煤業(yè)投資有限公司,山西 長治 047100)

復(fù)合頂板在我國大多數(shù)礦區(qū)煤層巷道廣泛存在,其主要是由剛度相差較大的多層層狀巖層相間構(gòu)成,極易發(fā)生無顯著征兆的突發(fā)性離層冒落[1-2]。因此,復(fù)合頂板穩(wěn)定控制具有重要意義。

在復(fù)合頂板支護(hù)優(yōu)化方面大量的學(xué)者開展研究,蘇學(xué)貴[3]采用原位實測、物理模擬與數(shù)值計算手段,揭示特厚復(fù)合頂板巷道淺部巖層錨桿組合梁與深部巖體錨索承載拱的形成及其拱-梁耦合作用機(jī)制。楊峰[4]通過理論分析、數(shù)值模擬方法研究得出復(fù)合頂板的變形破壞主要是因錨桿的主動支護(hù)作用較差,最終導(dǎo)致復(fù)合頂板的大變形以至破壞。侯朝炯等[5]針對復(fù)合頂板極軟煤層巷道圍巖破壞的特點,提出用頂板預(yù)注漿、錨桿支護(hù)等手段來控制巷道圍巖變形、加強(qiáng)頂板的支護(hù)強(qiáng)度、充分利用圍巖自身承載能力來維護(hù)巷道的穩(wěn)定性。郭相平等[6]以新元礦9104工作面為背景,劃分了不同范圍的治理區(qū)域,提出分區(qū)復(fù)合超前預(yù)注漿協(xié)同加固技術(shù)。關(guān)玉祥等[7]提出了托頂煤巷道的“錨噴注”聯(lián)合控制技術(shù)。

論文以西掌煤礦15103運輸巷配巷復(fù)合頂板為工程背景,鉆孔窺視確定復(fù)合頂板巖層結(jié)構(gòu)。采用理論計算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法優(yōu)化15103運輸巷配巷的支護(hù)參數(shù)。

1 工程背景

西掌煤礦15103工作面寬度135 m,走向推進(jìn)長度約為1 475 m,煤層平均埋深約為170 m,厚度3.71 m.15號煤層直接頂為厚0.9～1.32 m的炭質(zhì)泥巖,老頂是厚8.27 m的K2石灰?guī)r,直接底為砂質(zhì)泥巖,厚度2.70 m,老底為細(xì)砂巖,厚度4.01 m.

15103運輸巷在掘進(jìn)過程中揭露較大的斷層,因此在距離巷道開口700 m位置重新開口掘進(jìn)一條配巷繞過斷層。15103運輸巷配巷位于15號煤層一采區(qū),用于服務(wù)井下15103工作面的通風(fēng)、行人、運輸?shù)男枰?。巷道設(shè)計長度為310 m,高度3.5 m,寬度5 m,平面布置圖如圖1所示。

圖1 15103運輸巷配巷平面布置圖

2 煤巖復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)鉆孔窺視分析

為能夠全面掌握15103運輸巷配巷頂板巖層結(jié)構(gòu)特性,在15103運輸巷配巷頂板進(jìn)行鉆孔窺視。垂直于巷道頂板施工鉆孔,鉆孔直徑均為28 mm,1號頂孔深度6 m,2號頂孔深度7 m,1號和2號孔的開孔位置相距50 m以上。鉆孔窺視結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 1號探測孔不同深度的巖層狀況

圖3 2號探測孔不同深度的巖層狀況

1號鉆孔探測結(jié)果顯示(圖2):從巷道頂板表面開始1.9 m內(nèi)為黑灰色的泥巖,泥巖沒有大型的離層裂隙。在1.9 m的位置出現(xiàn)明顯的煤巖交界面,直到2.7 m的位置再次出現(xiàn)煤巖分界面進(jìn)入K2石灰?guī)r層位,頂板煤層夾矸的厚度為0.8 m.

2號鉆孔探測結(jié)果顯示(圖3):從巷道頂板表面開始1.85 m內(nèi)為黑灰色的泥巖,在1.85 m的位置出現(xiàn)明顯的煤巖交界面,在2.75 m的位置再次出現(xiàn)煤巖分界面進(jìn)入K2石灰?guī)r層位,頂板煤層夾矸的厚度為0.9 m.

綜合2個鉆孔的探測結(jié)果,得到15103運輸巷配巷的頂板結(jié)構(gòu)如圖4所示。15103運輸巷配巷的頂板為典型的煤巖復(fù)合頂板結(jié)構(gòu),由淺至深依次為:泥巖(厚度1.85～1.9 m),其次為煤層(厚度0.8～0.9 m),再上部為K2石灰?guī)r(厚度大于4 m)。下部泥巖的裂隙不發(fā)育,泥巖與煤層,以及煤層與K2石灰?guī)r的煤巖分界線之間沒有明顯的水平離層,但是夾矸煤層和上覆K2石灰?guī)r的剛度相差較大,存在離層的風(fēng)險,成為支護(hù)的重點區(qū)域。

圖4 窺視孔巖層結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果(單位:mm)

3 煤巖復(fù)合頂板巷道破壞特征數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)工程地質(zhì)條件及現(xiàn)場觀測實際情況,建立尺寸為:長×高=60 m×60 m的UDEC數(shù)值模型,巷道周邊重點區(qū)域采用Trigon三角塊體模型。模型上部邊界均勻施加3.0 MPa等效上覆巖層自重的均布荷載,底部和四周邊界采用位移法固定,破壞準(zhǔn)則采用摩爾庫倫模型。建立模型如圖5所示。

圖5 UDEC數(shù)值計算模型

3.2 圍巖破壞特征分析

數(shù)值模擬得到巷道圍巖裂隙分布特征如圖6所示。

由圖6可知:①配巷掘出以后,淺部圍巖裂隙發(fā)育并少量貫通,深部圍巖出現(xiàn)少量的離散裂隙;②無支護(hù)條件下,配巷掘出后頂板裂隙發(fā)育區(qū)高度為1.81 m,處在泥巖和煤層夾矸的交界面位置,容易發(fā)生離層變形;兩幫的裂隙發(fā)育區(qū)寬度分別為1.76 m和1.54 m.配巷的圍巖變形破壞比較明顯;③采用錨桿錨索支護(hù)后,配巷在迎頭位置頂板裂隙發(fā)育區(qū)高度降低為1.17 m,錨桿支護(hù)能夠有效控制頂板的變形,將裂隙區(qū)控制在泥巖范圍內(nèi),保持上部煤層的完整性,提高煤巖組合頂板的主動承載能力;兩幫煤體裂隙區(qū)寬度分別減小為0.44 m、0.41 m;錨桿支護(hù)能夠有效控制配巷兩幫的變形;④15103運輸配巷圍巖裂隙發(fā)育都未超過錨桿有效錨固長度,能夠?qū)ο锏绹鷰r形成穩(wěn)定的主動承載結(jié)構(gòu),達(dá)到良好的支護(hù)效果。

4 煤巖復(fù)合頂板巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

4.1 復(fù)合頂板巷道支護(hù)參數(shù)計算

根據(jù)15103運輸配巷鉆孔窺視得到的頂板結(jié)構(gòu)特征和模擬的巷道圍巖破壞特征,以高預(yù)應(yīng)力實現(xiàn)主動支護(hù)、控制離層和利用深部堅硬K2石灰?guī)r為原則對復(fù)合頂板巷道進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化。

在錨網(wǎng)噴高預(yù)應(yīng)力組合拱中,錨桿是支護(hù)的主體構(gòu)件,它能與松動的圍巖相互作用組成組合拱。按照組合拱理論對錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖7 組合拱參數(shù)計算圖

錨桿有效長度:

(1)

式中:l為錨桿有效長度,m;b為組合拱厚度,m;a為錨桿間距,m;α為錨桿對破裂巖體的控制角,一般取45°.

首先要保證泥巖和煤層落在組合拱內(nèi)形成預(yù)應(yīng)力承載層,后期采用錨索將預(yù)應(yīng)力承載層懸吊在深部堅硬巖層內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗類比,選取錨桿間距a=900 mm,組合拱厚度b=2.1 m,最終計算得到錨桿長度l=3.0 m.因此,選擇3 m的長錨桿并采用加長錨固的方式,可以最有效地阻止夾矸煤層在上下兩個界面的離層,從而控制頂板穩(wěn)定。

錨索應(yīng)將錨桿支護(hù)形成的預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連,發(fā)揮深部圍巖的承載能力,提高預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。圖8為采用FLAC3D對不同頂板錨索長度的圍巖預(yù)應(yīng)力場分布的模擬結(jié)果。

圖8 不同錨索長度的預(yù)應(yīng)力場分布

由圖8可知,在相同預(yù)應(yīng)力條件下,長度為6 m的錨索形成的有效壓應(yīng)力區(qū)相互疊加形成整體,錨索的主動支護(hù)作用得到充分發(fā)揮,但錨索長度過短,錨固區(qū)厚度過小,不能保證頂板穩(wěn)定。當(dāng)錨索長度增加到8 m時,壓應(yīng)力區(qū)范圍與厚度增加,錨索作用范圍擴(kuò)大,但錨索有效壓應(yīng)力區(qū)減小,尤其是錨索長度中上部有效壓應(yīng)力區(qū)明顯收縮,主動支護(hù)效果差。最終確定頂板錨索合理長度為6.3 m,錨固端在頂板堅硬的K2石灰?guī)r中。

4.2 復(fù)合頂板巷道支護(hù)參數(shù)的確定

西掌煤礦15103運輸巷配巷沿煤層底板掘進(jìn),巷道斷面寬×高=5 000 mm×3 500 mm,巷道支護(hù)斷面如圖9所示。

圖9 15103運輸巷配巷支護(hù)參數(shù)(單位:mm)

1) 頂板支護(hù)。頂錨桿:使用Φ20 mm×3 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距為900 mm×1 100 mm,每排6根,頂部錨桿垂直于巷道頂板,兩側(cè)肩窩錨桿距離煤幫250 mm,頂錨桿采用加長錨固,每根錨桿用2支MSCK2335型樹脂錨固劑和1支MSZ2360型樹脂錨固劑錨固。頂板使用6眼鋼筋鋼帶,鋼帶采用Φ10 mm螺紋鋼制作,長5 000 mm,寬60 mm.頂板錨索使用Φ17.8 mm×6 300 mm的礦用錨索,采用“212”(第1排與第3排布置2根,第2排布置1根)布置方式,錨索垂直于巷道頂板,1排2根錨索時錨索間距為2 000 mm,錨索排距1 100 mm.

2) 兩幫支護(hù)。兩幫錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼錨桿,間排距為800 mm×1 100 mm,每排5根。錨桿垂直于幫部墻體。幫錨桿使用5眼鋼筋鋼帶,并鋪設(shè)金屬網(wǎng)。

5 15103運輸配巷控制效果

15103運輸配巷掘進(jìn)過程中,優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后巷道變形如圖10所示。

圖10 15103運輸配巷圍巖變形

由圖10可知,巷道的變形量主要在距離迎頭85 m范圍內(nèi)產(chǎn)生,巷道兩幫變形量大于頂?shù)装逡平?頂?shù)装逡平孔畲鬄?43 mm,兩幫移近量最大為108 mm,巷道變形量較小,驗證了支護(hù)參數(shù)的合理性。

6 結(jié) 語

1) 鉆孔窺視測得15103運輸巷配巷頂板泥巖厚度1.85～1.9 m,其次為煤層厚度0.8～0.9 m,再次上部為堅硬的K2石灰?guī)r厚度大于4 m.夾矸煤層和上覆K2石灰?guī)r的剛度相差較大,存在離層風(fēng)險。

2) 15103運輸巷配巷頂板使用Φ20 mm×3 000 mm錨桿加長錨固,配合Φ17.8 mm×6 300 mm的礦用錨索,可以最有效地阻止夾矸煤層在上下兩個界面的離層,從而控制頂板穩(wěn)定。

3) 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后,15103運輸配巷巷道兩幫變形量大于頂?shù)装逡平?頂?shù)装逡平孔畲鬄?43 mm,兩幫移近量最大為108 mm,有效控制巷道圍巖穩(wěn)定。