王 聰

（徐礦集團生產(chǎn)調(diào)度指揮中心， 江蘇 徐州 221000）

0 引言

當(dāng)前我國淺部煤炭資源逐漸減少，隨著開采延伸，逐步轉(zhuǎn)為深部開采。深部開采難度大、成本高、開采技術(shù)復(fù)雜，巷道圍巖支護成本和技術(shù)難度加大，深部開采巷道復(fù)合頂板所占比例也增多，復(fù)合頂板是深部開采巷道布置與支護的技術(shù)難題，眾多學(xué)者對深部巷道支護技術(shù)進行了研究[1-3]。

以某礦30802 運輸順槽為例，巷道埋深650～730 m，而且頂板為復(fù)合頂板，破碎嚴(yán)重，控頂難度大，針對巷道圍巖現(xiàn)狀，通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，探求深部復(fù)合頂板巷道支護技術(shù)，對提高深井巷道支護具有重要意義。

1 30802 工作面概況

某礦3 號煤層30802 工作面為三采區(qū)首采工作面，所處水平為+835 m，30802 工作面標(biāo)高為+857～+895 m。30802 運輸順槽長度為649 m，矩形斷面，巷道凈寬4.5 m、凈高3.2 m，凈斷面14.4 m2。30802 回采工作面東側(cè)為設(shè)計30804 工作面，西側(cè)和南側(cè)為三采區(qū)回風(fēng)巷與三采區(qū)機軌巷，北側(cè)為原天利煤礦舊巷道。30802 工作面地面對應(yīng)位置為廢棄的村莊和耕地，地面標(biāo)高約為+1 500 m。運輸順槽長度649 m，可采長度327 m。

30802 回采工作面開采煤層為3 號煤層，賦存于山西組中下部地層中，煤層走向180°～185°，傾向270°～275°，傾角0～8°。煤層平均厚度為5.62 m，煤層厚度穩(wěn)定，煤層分兩個自然分層，含一層夾矸，為較簡單結(jié)構(gòu)煤層，堅固性系數(shù)為1.9～2.0。

煤層直接頂為灰色、粉砂質(zhì)、碳質(zhì)泥巖，巖層厚度為1.82 m；基本頂為淺灰色至灰色細(xì)粒砂巖，致密、堅硬，成分以石英為主，巖層厚度為8.66 m；煤層直接底為砂質(zhì)泥巖，含植物化石，巖層厚度為3.78 m；基本底為淺灰色細(xì)砂巖，致密、堅硬，成分以石英為主，厚度為4.61 m。由于直接頂為泥巖，其吸水容易發(fā)生軟化，使得頂板的整體穩(wěn)定性降低。隨工作面不斷向前推進，巷道極易發(fā)生冒頂、片幫等圍巖破壞現(xiàn)象，應(yīng)加強巷道頂板的支護，避免礦壓災(zāi)害的發(fā)生。

2 復(fù)合頂板巷道破壞機理及控制對策

2.1 破壞機理

深井復(fù)合頂板巷道圍巖的破壞原因主要是由于巷道頂板各個巖層的材料、厚度存在較大的差異，各個巖層具有不同的撓度，在頂板的變形過程中極易產(chǎn)生離層，同時不同巖層具有不同的強度，頂板會在強度較小的軟弱層產(chǎn)生裂隙并逐漸發(fā)生分層、多次的破壞?？刂茝?fù)合頂板的穩(wěn)定性，需要通過支護手段將復(fù)合頂板固定為一個整體，避免軟弱層發(fā)生破壞。

2.2 控制對策

30802 運順巷道在開挖初期，圍巖整體狀況較好，支護形式采用錨巖支護，使用錨桿進行加固，巷道支護體的承載能力及狀況較好，巷道圍巖變形在有效可控范圍內(nèi)，自身穩(wěn)定性較好。隨著礦井的開采作業(yè)延伸，巷道圍巖變形逐漸增大，錨巖支護體的承載能力下降，穩(wěn)定性變差，應(yīng)力逐漸移向深部開采區(qū)，圍巖變形趨于穩(wěn)定。30802 運輸順槽，在原有支護體系失穩(wěn)前，采用六邊形金屬網(wǎng)支撐非錨固區(qū)破碎巖體，防止巖體垮落發(fā)生。六邊形金屬網(wǎng)具有柔韌性，可以適應(yīng)圍巖破壞變形，金屬網(wǎng)鋼性為圍巖支撐提供反作用力，可以改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境。錨索起到錨巖支護體及圍巖穩(wěn)定作用。經(jīng)過錨桿和錨索的支護形式，互相作用發(fā)揮各自優(yōu)勢，優(yōu)化了錨桿支護整體性能，達(dá)到30802 運輸順槽控制圍巖變形的目的。非錨定巖層間轉(zhuǎn)移荷載，錨桿由單點支撐轉(zhuǎn)換為多個錨桿多點支撐形成支護體系，降低了局部支護強度不足而造成的巷道整體不穩(wěn)。工程實踐表明，在穩(wěn)定性較差的巷道錨桿支護中，配合使用金屬網(wǎng)，在動壓巷道中起著重要作用[4-5]。

3 支護參數(shù)理論計算

3.1 錨桿直徑的確定

錨桿直徑計算公式如下：

式中：d 為錨桿直徑，mm；Q 為錨桿錨固力，取150 kN；σt為錨桿抗拉強度，取540 MPa。

將相關(guān)參數(shù)代入式（1）得：d≈18.8 mm。

為達(dá)到最佳的支護效果和節(jié)約成本，經(jīng)綜合考慮，兩幫采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿規(guī)格為Φ20 mm，頂板采用的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ22 mm，滿足了高錨固力及節(jié)約材料和作業(yè)便捷的目的。

3.2 錨桿長度的確定

錨桿長度計算公式如下：

式中：L 為錨桿長度，m；K 為安全系數(shù)，取2.8；L1為錨桿外露長度，一般取0.1 m；L2為錨桿插入穩(wěn)定巖層的長度，取0.6 m；H 為自然平衡拱的高度，取0.6 m。

將相關(guān)參數(shù)代入式（2）得：L=2.38 m，錨桿長度取值為2.4 m。

結(jié)合考慮30802 運輸順槽地質(zhì)狀況及支護參數(shù)，確定兩幫錨桿間排距及頂板錨桿間排距為900 mm、900 mm，800 mm、900 mm，滿足巷道使用需求。

3.3 錨索支護參數(shù)的確定

根據(jù)30802 回采工作面煤層頂?shù)装鍘r性等地質(zhì)條件，綜合考慮錨索強度、安全性、成本等方面，確定錨索長度為8.3 m、直徑為21.6 mm。結(jié)合錨索參數(shù)和實際情況，兩幫錨索間排距設(shè)計為1 600 mm、1 800 mm，頂板錨索間排距設(shè)計為1 200 mm、1 800 mm。

3.4 支護方案

30802 運輸順槽頂板錨桿，采用規(guī)格為Φ22 mm×2 400 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，支護排間距為900 mm、800 mm。采用Φ21.6 mm×8 300 mm 的高強度低預(yù)應(yīng)力錨索，進行補強錨索支護，間排距為1 200 mm、1 800 mm。兩幫采用規(guī)格為Φ20 mm×2 400 mm 的螺紋鋼錨桿支護，間排距為900 mm、900 mm。

兩幫及頂板鋪設(shè)規(guī)格為2 700 mm×1 100 mm 的六邊形金屬網(wǎng)，在鋪設(shè)好后進行聯(lián)網(wǎng)，金屬網(wǎng)鋪網(wǎng)時網(wǎng)與網(wǎng)及時搭接，兩張金屬網(wǎng)搭接寬度為50 mm。錨索采用300 mm×300 mm×16 mm 的鼓形托盤，錨桿采用150 mm×150 mm×10 mm 的鼓形托盤。

3.5 支護參數(shù)數(shù)值模擬驗證

根據(jù)30802 運輸順槽的實際地質(zhì)情況，采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件建立計算模型，模型尺寸為長×寬×高=50 m×40 m×40 m，共劃分為53 176 個單元，采用莫爾- 庫倫屈服準(zhǔn)則建立模型，上表面設(shè)置為自由約束，其他各向為固定約束，煤層的埋深為上覆巖層的重力。

30802 運順巷道采用“錨桿索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護后，豎向應(yīng)力分布云圖、巷道垂向位移分布云圖，如圖1 所示。

圖1 巷道圍巖豎向位移、應(yīng)力分布云圖

由圖1 可看出，采用“錨桿索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護技術(shù)后，30802 運輸順槽頂板最大下沉量大約為28.6 mm，最大底鼓量約為8.4 mm，圍巖變形量相對較小；同時圍巖豎向應(yīng)力值約為6.2 MPa，應(yīng)力分別均勻，無應(yīng)力集中現(xiàn)象。巷道圍巖的安全穩(wěn)定性較高，說明采用優(yōu)化支護方案后，可對30802 運輸順槽圍巖變形進行有效控制，也進一步說明了支護參數(shù)的科學(xué)合理性。

4 工業(yè)性試驗

將“錨桿索+ 鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護技術(shù)應(yīng)用于30802 運輸順槽復(fù)合頂板段，并在巷道掘進施工過程中采用“十字布點法”監(jiān)測巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形情況，巷道變形曲線如圖2 所示。同時采用兩點位移計以及多點位移計來進行巷道頂板離層量的測量，在運輸順槽中位移計每間隔50 m 布設(shè)1 個，每個離層儀布設(shè)2 個點，根據(jù)上覆巖層的地質(zhì)條件，位移計的深度分別設(shè)計為2.5 m、6.5 m，頂板離層變化曲線如圖3 所示。

圖2 巷道掘進期間圍巖變形曲線

圖3 頂板離層變化曲線

由圖2 可知，在巷道掘進的前15 d，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形量不大；在15～36 d 范圍內(nèi)，巷道底板及兩幫的圍巖變形速率較大；在90 d 后，圍巖變形量趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笞冃瘟糠謩e為22 mm、74 mm，高、低幫最大變形量分別為55 mm、30 mm，運輸順槽整體斷面的收縮率約為4.8%，圍巖支護效果良好。

由圖3 可以看出，頂板離層量與時間存在著密切關(guān)系，離層量變化具有階梯型，在巷道開始進行掘進時，錨桿可以發(fā)揮其支護作用，直接頂產(chǎn)生較小的離層。隨后，隨掘進時間的發(fā)展，頂板淺部離層量開始增大，在15 d 以后，淺部離層量趨于穩(wěn)定值5.1 mm；頂板深部離層量在巷道開始進行掘進時較小，之后離層量發(fā)生較大的跳躍，在63 d 以后，深部離層量趨于穩(wěn)定值20.3 mm，巷道頂板整體較為穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1）通過采用巷道圍巖錨桿索支護計算公式確定了30802 運順支護參數(shù)，數(shù)值計算驗證了“錨桿索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護技術(shù)參數(shù)的合理有效性。

2）工業(yè)試驗監(jiān)測結(jié)果表明，采用“錨桿索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護技術(shù)后，運輸順槽整體斷面的收縮率約為4.8%，且30802 運順巷道圍巖變形均處于允許范圍內(nèi)，支護技術(shù)方案能合理有效控制圍巖變形。