含軟弱夾層的石灰?guī)r頂板回采巷道支護技術研究

李 典

（臨汾市央企駐臨煤礦安全監(jiān)管中心，山西 臨汾 113001）

煤礦巷道圍巖一般是由不同巖性的巖體組成的復合結構，由于沉積歷史、巖性狀況的不同，復合結構圍巖中各部分的強度、受力特征等力學特性存在差異。其中，含有強度較低、變形較大或受力狀況惡化的巖體-軟弱夾層，在地應力及采動應力場的作用下，將首先發(fā)生破壞。本文以晉能集團同富新煤業(yè)有限公司回采巷道為工程背景，根據(jù)巷道頂板含有軟弱夾層的不同位置對巷道頂板進行科學分類，針對一條巷道中不同位置采用不同類型的巷道支護方案，達到支護安全可靠和節(jié)約支護成本的目的。

1 工程概況

晉能集團同富新煤業(yè)有限公司目前主采10號煤，煤層埋深在200～400m之間，原巖應力不高。根據(jù)現(xiàn)場揭露情況，10號煤層頂板主要以石灰?guī)r為主，普氏系數(shù)在10以上，比較堅硬。但頂板含有1～2層軟弱夾層，主要以泥巖包裹鵝卵石為主，夾層位置不固定，個別地點沒有石灰?guī)r頂板，頂板完全由軟弱泥巖構成，局部節(jié)理裂隙非常發(fā)育，頂板破碎，不完整。針對這種特殊條件的頂板，為了保證巷道的支護安全，原設計采用12#工字鋼金屬支架支護，全斷面鋪設金屬網(wǎng)。這種巷道支護方式解決了巷道頂板的軟弱夾層問題，取得了良好的支護效果，但存在以下主要問題：

（1）掘進工程量大。由于金屬支架需要在支架與巖層之間放置木背板，加上支架本身的厚度，增加了巷道的掘進斷面，按原設計巷道凈斷面11.43m2，巷道掘進斷面13.44m2，與錨桿+錨索支護斷面相比，增加了2.0m2的掘進工程量，同時需要掘進支架柱窩，降低了凈斷面與掘進斷面的比例。

（2）支護成本高。與錨桿+錨索支護相比，工字鋼支架材料成本高，增加了巷道支護的材料成本。

（3）支護施工速度慢，勞動強度大。需要人工搬運和架設支架，施工速度慢，勞動強度大。

（4）回采工作面超前支護困難。當回采工作面回采時，超前支護困難，需要進行工字鋼棚的拆卸，費時費力。

2 巷道頂板分類

根據(jù)巷道圍巖裂隙發(fā)育程度和軟弱夾層在頂板中的不同位置，把巷道頂板分成9類，具體分類結果如表1所示，分類指標參數(shù)如圖1所示。其中，第4類和第5類以及第7類和第8類的區(qū)別是1000～1500mm范圍內是否含有軟弱夾層，用以確定錨桿的長度。如果此范圍內含有軟弱夾層，使用2.5m長度的錨桿，否則使用2.0m長度的錨桿，保證有1.0m長的錨固段在堅硬巖層中，確保錨桿的錨固質量。

圖1 頂板分類指標示意圖

表1 頂板分類結果

3 巷道支護方案設計

3.1 數(shù)值模型建立

針對同富新煤業(yè)回采巷道的實際情況，根據(jù)頂板節(jié)理裂隙發(fā)育程度及軟弱夾層在頂板中的不同位置，分別建立數(shù)值模擬模型。模型水平方向20.45m，巷道掘進方向20m，垂直方向15m，其中煤層厚度3m，上方12m石灰?guī)r和泥巖夾層互層，模型X方向左右邊界固定約束，Y方向前后邊界固定約束，Z方向x、y、z固定約束，上表面無約束，模型頂面施加2.56MPa均布載荷模擬上覆巖層自重。巖體采用庫倫-摩爾模型計算，模型中巷道按實際尺寸模擬，如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬模型

3.2 第1～2類頂板支護方案

第1類頂板的特征是節(jié)理裂隙發(fā)育，頂板不完整。第2類頂板中堅硬石灰?guī)r厚度不足200mm，即D1＜200mm，其上是軟弱的泥巖，模擬時取D1=200mm，其上是200mm泥巖夾層，采用錨桿錨索聯(lián)合支護，計算1616步之后，模型失穩(wěn)。對于第1類和第2類頂板，無論采用何種參數(shù)，使用錨桿錨索支護都會發(fā)生變形失穩(wěn)，巷道頂板寬度范圍內，全部發(fā)生了剪切或拉伸破壞，巷道頂板整體下移滑落，巷道無法維護。因此，巷道支護方案沿用原有支護方案，即12#工字鋼金屬支架支護，全斷面鋪設金屬網(wǎng)。

3.3 第3～5類頂板支護方案

（1）護頂措施選擇。第3～5類頂板的特征是巷道頂板堅硬石灰?guī)r厚度在200～600mm之間，即200mm≤D1≤600mm，巷道上方堅硬石灰?guī)r層較薄。針對有W鋼帶和無W鋼帶護頂兩種支護方案進行數(shù)值模擬，模擬時巷道支護采用典型的錨桿+錨索支護，第3類頂板錨桿長度2.0m，第4類頂板錨桿長度2.5m，第5類頂板用4.3m錨索取代錨桿，目的是確保錨桿和錨索有1.0m以上在穩(wěn)定的堅硬巖層中。圖3是D1=400mm、錨桿間距900mm時的數(shù)值模擬結果。

圖3 有無W鋼帶護頂頂板下沉量對比

由圖3可以看出，有W鋼帶護頂時頂板下沉量是無W鋼帶護頂時頂板下沉量的49%，選擇W鋼帶與錨桿聯(lián)合支護支護效果明顯，頂板最大下沉量為62.32mm，滿足巷道使用和安全需求。

（2）錨桿間距確定。選擇W鋼帶護頂，分別建立不同錨桿間距條件下的數(shù)值模擬模型，得出不同錨桿間距和最大頂板下沉量之間的關系如表2所示。

表2 不同錨桿間距時頂板最大下沉量對比

從表2可以看出，當錨桿間距從800mm增加900mm時，頂板最大下沉量增長率為12.7%，但當錨桿間距由900mm增加到1000mm時，增長率為55.3%，頂板下沉量急劇增加，因此錨桿間距確定為900mm。

綜上所述，確定第3～5類頂板巷道支護方案為錨桿+錨索+W鋼帶+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，錨桿間距900mm。

3.4 第6～8類頂板支護方案

（1）護頂措施選擇。第6～8類頂板的特征是巷道頂板堅硬石灰?guī)r厚度在600～1000mm之間，煤層上方堅硬石灰?guī)r層較厚，有利于頂板的維護。同樣分別對有W鋼帶和無W鋼帶兩種支護方案進行數(shù)值模擬，模擬時選擇D1=800mm，錨桿間距900mm，錨桿長度與第3～5類相同。模擬結果如圖4所示。

圖4 有無W鋼帶護頂頂板下沉量對比

從圖中可以看出，有無W鋼帶護頂時頂板下沉量變化不大。以第7類頂板為例，頂板下沉量由38.27mm增加到47.98mm，增加了25%，無W鋼帶護頂時頂板最大下沉量為47.98mm，能夠滿足安全生產需要。

（2）錨桿間距確定。采用與3～5類頂板相同的模擬方法，分別建立錨桿間距為800mm、900mm、1000mm和1100mm時的數(shù)值模擬模型，模擬結果與3～5類頂板相同，最優(yōu)錨桿間距為900mm。

綜上所述，第6～8類頂板支護方案確定為錨桿+錨索+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，錨桿間距900mm。

3.5 第9類頂板支護方案

第9類頂板煤層上方堅硬石灰?guī)r層厚度大于1000mm，分別建立了無支護、錨索支護數(shù)值模擬模型。模擬結果顯示，在無支護條件下，巷道頂板中心位置頂板下沉量最大為86mm，頂板均布3條間距為1500mm的錨索，最大下沉量為51mm。綜合煤礦安全規(guī)程規(guī)定和實際經(jīng)驗，第9類頂板支護方式確定為錨索支護，錨索間距1500mm。

4 工程實踐

試驗巷道為晉能集團同富新煤業(yè)有限公司502輔運順槽，通過錨索鉆孔判斷泥巖夾層的位置，大部分區(qū)域軟弱夾層位于煤層上方的400mm到600mm之間，屬于第3～5類頂板，也有少部分地段屬于6～8類頂板。采用上述不同的巷道支護方案進行施工，與原來使用的工字鋼支架相比，施工進度明顯加快，支護材料成本降低了61.2%。巷道施工結束30d后，頂板最大下沉量102mm，兩幫移近量24mm，巷道斷面滿足運輸、行人和通風要求，巷道圍巖控制效果明顯。

5 結論

（1）在通過對含有軟弱夾層的石灰?guī)r頂板節(jié)理裂隙發(fā)育程度和軟弱夾層的位置不同進行頂板分類基礎上，通過數(shù)值模擬計算分析，確定了不同類別頂板條件下的巷道支護方案，并對支護方案進行了參數(shù)優(yōu)化。對于第1～2類頂板沿用12#工字鋼金屬支架支護方式，第3～5類頂板選擇錨桿+錨索+W鋼帶+金屬網(wǎng)支護方式，第6～8類頂板選擇錨桿+錨索+金屬網(wǎng)支護方式，第9類頂板選擇錨索支護。

（2）由于軟弱夾層距離巷道頂板較近，對于3～5類頂板，W鋼帶護頂效果明顯，對于軟弱夾層距巷道頂板距離較大的6～8類頂板，W鋼帶無明顯改善圍巖控制效果作用。

（3）數(shù)值模擬和工程實踐結果顯示，根據(jù)不 同頂板類型選用不同巷道支護方案，解決了傳統(tǒng)金屬支架支護帶來的弊端，大大提高了掘進效率，節(jié)約支護成本，巷道支護效果安全可靠。