厚煤頂煤巷圍巖穩(wěn)定性類(lèi)別評(píng)判及支護(hù)設(shè)計(jì)

姚曉晗，趙玉棟

(中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京100120)

我國(guó)的巷道支護(hù)技術(shù)有著久遠(yuǎn)的歷史，然而，隨著勘探技術(shù)的進(jìn)步，更多的煤炭資源被發(fā)掘，進(jìn)而采煤工藝隨之變化，隨著放頂煤開(kāi)采工藝的推廣應(yīng)用，越來(lái)越多的礦井需要開(kāi)掘厚煤頂煤巷，由于頂板煤層厚度較大，采用錨桿索支護(hù)時(shí)，錨固點(diǎn)難以伸到穩(wěn)定巖層，支護(hù)可靠性降低，給安全生產(chǎn)帶來(lái)了影響，之前更多的研究是基于一般的巖石頂板，沒(méi)有對(duì)煤層頂板尤其是厚煤頂板進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究［1－2］。因此，探究此類(lèi)巷道的圍巖參數(shù)指標(biāo)及類(lèi)別，確定合理的支護(hù)參數(shù)，是解決該巷道圍巖控制難題的有效技術(shù)探索，本文在總結(jié)分析厚煤頂煤巷圍巖變形破壞的主導(dǎo)因素基礎(chǔ)上，進(jìn)行煤巖樣采集測(cè)試和底板比壓測(cè)試，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保安全掘進(jìn)與支護(hù)，本文可為同類(lèi)型巷道支護(hù)提供參考。

1 工程概況

安家?guī)X井工二礦B906輔運(yùn)順槽所在煤層為石炭系上統(tǒng)太原組9號(hào)煤層，煤層厚8.9～13.65 m，平均厚度 11.69 m，煤層傾角 1.8°～ 3.8°，平均2.8°。煤層產(chǎn)狀平緩，節(jié)理裂隙較發(fā)育，性脆，見(jiàn)黃鐵礦結(jié)核，局部地段頂部有高灰分煤，平均厚2.09 m。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸2～7層，直接頂板以灰白色中粗砂巖為主。直接底板以灰色～灰黑色泥質(zhì)巖類(lèi)為主。B906輔運(yùn)順槽設(shè)計(jì)采用矩形斷面，凈寬5 m，凈高3.3 m，該礦臨近相似巷道異常礦壓顯現(xiàn)明顯，出現(xiàn)過(guò)嚴(yán)重底臌、片幫、巷幫玻璃鋼錨桿拉斷失效等現(xiàn)象。為保證千萬(wàn)噸級(jí)礦井安全高效回采，有必要開(kāi)展此類(lèi)巷道合理支護(hù)參數(shù)的研究。

2 圍巖破壞因素分析及參數(shù)指標(biāo)測(cè)試

2.1 厚煤頂煤巷圍巖破壞的主導(dǎo)因素

(1)厚層煤頂及軟弱頂板巖層，層理和構(gòu)造裂隙發(fā)育，頂板自身穩(wěn)定性較差，易產(chǎn)生離層和剪切破壞，不利于形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

(2)巷道兩幫為煤體，且節(jié)理裂隙發(fā)育，巷道的垂直載荷向兩幫傳遞和轉(zhuǎn)移，煤幫所承受的壓力增長(zhǎng)，加大煤幫變形破壞和片幫。

(3)地質(zhì)條件的影響。斷層、褶曲等構(gòu)造帶容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，圍巖破碎，巷道控制難度大。頂板局部淋水現(xiàn)象嚴(yán)重，會(huì)弱化錨固劑錨固強(qiáng)度。

(4)采動(dòng)的影響。綜放開(kāi)采回采巷道圍巖的應(yīng)力分布特殊，改變了圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)范圍，導(dǎo)致了巷道失穩(wěn)變形和破壞。

(5)巷道斷面的影響。巷道斷面的增大使巷道圍巖應(yīng)力和變形成平方和立方急劇增長(zhǎng)，巷道圍巖破碎范圍加大，從而使錨索、錨桿的錨固力得不到保證。

2.2 煤巖參數(shù)指標(biāo)工程測(cè)試

(1)煤巖樣采集測(cè)試

采用ZYG－150全液壓鉆機(jī)在B906輔運(yùn)巷頂板鉆取煤巖樣，進(jìn)行煤巖芯編錄，繪制鉆孔柱狀圖，得出B906綜放區(qū)段2.8 m的直接頂及8.7 m的老頂均為細(xì)砂巖。實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行壓縮、劈裂、剪切試驗(yàn)，測(cè)定頂板煤巖力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1煤巖力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Index of rock mechanical properties of coal

(2)底板比壓測(cè)試

底板比壓測(cè)定采用DZD－IIA型便攜式底板比壓儀，壓模，DZ35－20/100單體液壓支柱，在B906輔運(yùn)順槽設(shè)14個(gè)測(cè)站進(jìn)行觀(guān)測(cè)，記錄測(cè)站位置、壓模直徑、壓力表數(shù)據(jù)、壓入量。繪制底板比壓與壓入量的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。

根據(jù)壓力特性曲線(xiàn)，B906輔運(yùn)順槽底板變形以塑—脆性和塑性為主，分別占57%和38%。計(jì)算分析確定底板允許比壓為19.6 MPa，底板允許剛度系數(shù)為2.7 MPa/mm。根據(jù)我國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《緩傾斜煤層采煤工作面底板分類(lèi)》技術(shù)規(guī)范(MT553－1996)，確定B906綜放面底板屬于Ⅳ類(lèi)中硬底板。

3 厚煤頂煤巷圍巖穩(wěn)定性類(lèi)別預(yù)測(cè)評(píng)判

3.1 煤巷圍巖分類(lèi)指標(biāo)選取

根據(jù)我國(guó)《緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)方案》。選擇巷道頂板強(qiáng)度、煤層強(qiáng)度、底板強(qiáng)度、巷道埋深、巖體完整性指數(shù)、本區(qū)段采動(dòng)影響指標(biāo)、鄰近區(qū)段采動(dòng)影響指標(biāo)7個(gè)影響因素作為分類(lèi)指標(biāo)，將緩傾斜、傾斜煤層回采巷道分為非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定5個(gè)類(lèi)別［3－4］。

1)三個(gè)圍巖強(qiáng)度指標(biāo)。

①σ煤是巷道兩幫煤層的平均強(qiáng)度，根據(jù)上述測(cè)試可知，煤層單向抗壓強(qiáng)度σ煤為33.85 MPa。

②頂板強(qiáng)度σ頂取頂板2倍巷道寬度范圍內(nèi)9.0 m的煤層和1.0 m的細(xì)砂巖強(qiáng)度的加權(quán)平均值，頂板單向抗壓強(qiáng)度σ頂為

③根據(jù)底板比壓實(shí)測(cè)結(jié)果，巷道底板巖石單向抗壓強(qiáng)度σ底為19.6 MPa。

2)巖體完整性指數(shù)。以直接頂初次垮落步距代替。B906綜放面直接頂初次垮落步距14.5 m。

3)埋藏深度H。根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)值選取。B906輔運(yùn)巷埋深 180～220 m，取埋深平均值200 m。

4)本區(qū)段采動(dòng)影響指標(biāo)N。采動(dòng)影響系數(shù)N等于直接頂厚度除以煤層采高。B906輔運(yùn)巷上覆巖層為9 m厚的煤層，與2.41 m厚的細(xì)砂巖。

5)相鄰區(qū)段采動(dòng)影響指標(biāo)X。用護(hù)巷煤柱的實(shí)際寬度表示。B906輔運(yùn)巷相鄰區(qū)段護(hù)巷煤柱寬度為20 m，故X取20。

3.2 模糊綜合評(píng)判矩陣的構(gòu)建

巷道圍巖穩(wěn)定性的類(lèi)別是一個(gè)模糊概念，在預(yù)測(cè)巷道圍巖穩(wěn)定性類(lèi)別時(shí)設(shè)評(píng)語(yǔ)集合為V={Ⅰ類(lèi)，Ⅱ類(lèi)，Ⅲ類(lèi)，Ⅳ類(lèi)，Ⅴ類(lèi)}，其模糊子集為B，因素集合為U={頂板強(qiáng)度，煤層強(qiáng)度，底板強(qiáng)度，采動(dòng)影響系數(shù)，巷道埋深，殘余采動(dòng)影響系數(shù)，巖體完整性指數(shù)}，模糊子集為A。則因素論域和評(píng)語(yǔ)論域之間的模糊關(guān)系可用評(píng)價(jià)矩陣R來(lái)表示，其中rij=UR(ui，uj)表示從i因素著眼，該因素能評(píng)為vj類(lèi)的隸屬程度。

模糊子集A和B可簡(jiǎn)化表示成模糊向量A=［a1，a2，…a7］;B= ［b1，b2，…b7］，并且B=A·R［5］按評(píng)語(yǔ)集B內(nèi)各元素大小順序，預(yù)測(cè)判定巷道圍巖穩(wěn)定性類(lèi)別。

3.3 模糊綜合評(píng)判矩陣的選擇和計(jì)算

模糊綜合評(píng)判矩陣的選擇的關(guān)鍵在于確定各因素相對(duì)于各類(lèi)的隸屬度，本文采用距離法確定隸屬程度。首先確定各因素的聚類(lèi)中心，然后通過(guò)對(duì)各類(lèi)中心的距離比較，得到單因素評(píng)判矩陣。如圖2。

(1)分類(lèi)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的線(xiàn)性化在進(jìn)行分類(lèi)或預(yù)測(cè)巷道類(lèi)別時(shí)，首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性化處理。待判定的巷道(B906輔運(yùn)巷)各指標(biāo)參數(shù)線(xiàn)性化矩陣:

［0.163 8 0.171 9 0.225 8 3.460 0 200.000 0 0.382 0 14.500 0］

聚類(lèi)中心是某一類(lèi)巷道圍巖所有樣本的核心，是該類(lèi)的一個(gè)模式樣本，綜合反應(yīng)了該類(lèi)指標(biāo)的特性。標(biāo)準(zhǔn)樣本指標(biāo)參數(shù)線(xiàn)性化矩陣(煤巷分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)):

(2)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化［6］

進(jìn)行無(wú)量綱化處理，將數(shù)據(jù)壓縮在［0，1］之間。待判定的巷道(B906輔運(yùn)巷)各指標(biāo)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣

標(biāo)準(zhǔn)樣本指標(biāo)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化矩陣

(3)絕對(duì)距離差值取倒數(shù)處理

計(jì)算待判定巷道(B906輔運(yùn)巷)各指標(biāo)參數(shù)值與各類(lèi)中心的距離的倒數(shù)。

(4)歸一化處理

將各指標(biāo)參數(shù)值轉(zhuǎn)化為表示相對(duì)重要程度的在0～1之間一個(gè)實(shí)數(shù)，即各指標(biāo)參數(shù)值之和為1。

(6)轉(zhuǎn)置得出綜合評(píng)判矩陣R

3.4 B906輔運(yùn)巷圍巖穩(wěn)定性判定結(jié)果

(1)各指標(biāo)權(quán)集確定

因素論域U上的各單因素ui的權(quán)值，表示參與分類(lèi)的指標(biāo)的相對(duì)重要程度的一個(gè)實(shí)數(shù)k(i)在0～1之間，∑k(i)=1。因素論域U上的因素模糊子集即各指標(biāo)權(quán)集(全國(guó)范圍)為:

(2)評(píng)語(yǔ)集的計(jì)算

(3)B906輔運(yùn)巷圍巖類(lèi)別判定

由計(jì)算結(jié)果可知，B906輔運(yùn)巷為Ⅲ類(lèi)圍巖的隸屬度最大。

3.5 支護(hù)參數(shù)選擇方向

B906輔運(yùn)巷圍巖屬于Ⅲ類(lèi)圍巖，巷道斷面尺寸為5.0 m×3.3 m，頂板為9.0 m厚的煤層頂板，根據(jù)《煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》，支護(hù)方式采用錨桿+錨索(或鋼筋梁)+網(wǎng)，或增加錨索桁架+網(wǎng)，或增加錨索［7］;主要支護(hù)參數(shù)為端錨:桿體直徑:16～18 mm，桿體長(zhǎng)度:1.6 ～2.2 m;間排距:0.6 ～1.0 m;設(shè)計(jì)錨固力:64～80 kN;全長(zhǎng)錨固:桿體直徑:18～22 mm;錨桿長(zhǎng)度:1.8 ～2.4 m;間排距:0.8 ～1.2 m。

4 厚煤頂煤巷支護(hù)設(shè)計(jì)

綜合以上分析，確定B906輔運(yùn)順槽的支護(hù)形式及參數(shù)如圖3所示。具體支護(hù)參數(shù)如下:

4.1 頂板支護(hù)

(1)錨桿支護(hù)

頂錨桿形式和規(guī)格:采用Φ20 mm無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，長(zhǎng)度2.4 m，初錨力≥70 kN，安裝扭矩≥140 N·m。

錨固方式:樹(shù)脂錨固，每孔使用1根K2335，一根Z2360樹(shù)脂錨固劑，K2335在上，Z2360在下。

錨桿布置:間排距為1 100 mm×1 200 mm，頂板打5排錨桿，最外一排到巷幫的距離為300 mm。靠近巷幫的頂錨桿安設(shè)角度與垂直方向成15°夾角，其余3根垂直頂板。

托盤(pán)規(guī)格:頂錨桿托盤(pán)150 mm×150 mm×10 mm。

頂板網(wǎng)片規(guī)格:Φ4×80 mm焊接方格網(wǎng);長(zhǎng)×寬=3 m×1.3 m;網(wǎng)片相互壓茬 100 mm，每300 mm用14#雙股鐵絲扎牢。

(2)錨索支護(hù)

頂板錨索形式和規(guī)格:錨索采用Φ17.8 mm的鋼絞線(xiàn)，長(zhǎng)7.3 m，錨深7 m。錨索預(yù)緊力不低于120 kN。

錨固方式:每個(gè)錨索鉆孔安裝一個(gè)K2335，2根Z2360樹(shù)脂藥卷，K2335在上，Z2360在下。

錨索布置:巷道中間每排布置一根錨索，排距3 600 mm。

托盤(pán)規(guī)格:錨索托板采用 Q235鋼，規(guī)格為250 mm×250 mm×10 mm和90 mm×90 mm×10 mm兩種配合使用。

4.2 巷幫支護(hù)

幫錨桿形式和規(guī)格:靠工作面一側(cè)煤幫選用Φ20 mm玻璃鋼錨桿，長(zhǎng)度為1.8 m。靠煤柱一側(cè)煤幫選用Φ18圓鋼錨桿，長(zhǎng)度為1.8 m。玻璃鋼錨桿初錨力≥30 kN，扭矩≥80 N·m。圓鋼錨桿初錨力≥50 kN，扭矩≥100 N·m。

錨固方式:幫錨桿每孔使用1根Z2360樹(shù)脂錨固劑。

錨桿布置:錨桿間、排距1 100 mm×1 200 mm。每排每幫布置3根錨桿，最上一根距頂板400 mm，斜向上與水平方向成15°夾角;最下一根距底板為700 mm，斜向下與水平方向成5°～10°夾角;中間一根水平布置。

托盤(pán)規(guī)格:兩幫錨桿鐵托板200 mm×200 mm×10 mm，高強(qiáng)塑料托板Φ100 mm。

巷幫網(wǎng)片規(guī)格:靠工作面一側(cè)煤幫選用內(nèi)有鐵絲蕊的塑料網(wǎng)，長(zhǎng)×寬=30 m×1.5 m;靠煤柱一側(cè)煤幫為Φ4×80 mm金屬焊接方格網(wǎng);長(zhǎng)×寬=3 m×1.3 m;網(wǎng)片相互壓茬100 mm，每300 mm用14#雙股鐵絲扎牢。

遇見(jiàn)斷層、圍巖破碎帶、地應(yīng)力異常等復(fù)雜地質(zhì)條件，應(yīng)采取加強(qiáng)支護(hù)措施［8］。

5 支護(hù)效果工程驗(yàn)證

在B906輔運(yùn)順槽中距工作面100、130和160 m處各布置一個(gè)測(cè)站，測(cè)站間距為30 m，測(cè)量巷道表面位移。從測(cè)站布置后到B906工作面推過(guò)測(cè)站后，巷道斷面收斂率很小，兩幫移近量最大不超過(guò)80 mm，頂?shù)装逡平孔畲蟛怀^(guò)25 mm(見(jiàn)圖4)。在工作面推進(jìn)期間，輔運(yùn)巷的頂板下沉量較小，但兩幫移近量不大，說(shuō)明巷道頂板控制較好。

6 結(jié)論

1)厚煤頂煤巷變形破壞的主導(dǎo)因素為:厚頂煤不易形成穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu);煤幫穩(wěn)定性差;地質(zhì)構(gòu)造;開(kāi)采擾動(dòng);巷道斷面大等。

2)煤巖樣采集測(cè)試與底板比壓測(cè)試分別得出煤層及直接頂?shù)膸缀瘟W(xué)參數(shù)指標(biāo)，底板允許比壓值，模糊綜合評(píng)判得出B906輔運(yùn)巷屬于Ⅲ類(lèi)圍巖，從而確定出支護(hù)參數(shù)選擇方向。

3)設(shè)計(jì)出B906輔運(yùn)巷支護(hù)參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)。位移變形觀(guān)測(cè)結(jié)果表明:頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平枯^小，圍巖控制效果較好。

［1］張榮立，李 鐸，何國(guó)緯.采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2003.

［2］邢福康.煤礦支護(hù)手冊(cè)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1992.

［3］鄒喜正.煤礦巷道圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1995.

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