含軟夾層石灰?guī)r頂板動態(tài)判定與支護技術(shù)研究

張 英

(晉煤集團沁秀煤業(yè)有限公司 岳城煤礦，山西 沁水 048205)

鳳凰山礦15號煤層頂板為K2石灰?guī)r，深灰色，致密堅硬，平均厚度約為9.2 m。15號煤頂板雖以K2石灰?guī)r為主，但在不同盤區(qū)的不同位置，頂板巖性和結(jié)構(gòu)特性差別較大，巷道在掘進過程中，頂板支護范圍內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)軟巖夾層，且夾層厚度及層位變化較大，尤其是受動壓影響后，軟巖夾層位置處極易與上覆巖層發(fā)生脫離而導致頂板發(fā)生淺部破壞[1]，在原有支護設(shè)計條件下，一旦離層發(fā)生不連續(xù)的擴容變形超過錨桿錨固區(qū)之外，單純靠幾根錨索懸吊難以支撐時，頂板即會發(fā)生離層垮冒。

巷道受動壓影響，在初始支護設(shè)計條件下，頂?shù)滓平恳话阍?00 mm以上，尤其是綜采工作面靠近采空區(qū)側(cè)的巷道超前支護區(qū)附近礦壓顯現(xiàn)異常嚴重[2]，頂板裂縫變多變寬，底鼓幫鼓經(jīng)常導致安全出口寬度不足0.8 m、高度不足1.8 m。因此，本文以鳳凰山礦XV3207巷掘進支護為工程背景，通過對頂板巖性特征的判斷和分析，結(jié)合錨桿支護技術(shù)理論，提出以下支護技術(shù)指標要求：新錨桿支護設(shè)計技術(shù)條件下施工的巷道，在示范巷道服務(wù)年限內(nèi)頂板下沉量不大于50 mm，兩幫移近量均不大于200 mm，底鼓量不大于200 mm。最終確定特定條件下的頂板支護方案，避免出現(xiàn)支護強度過剩或支護強度不足的情況，以達到科學支護與安全高效生產(chǎn)的雙重目的。

1 工程地質(zhì)條件

XV3207巷設(shè)計長度為1 054 m，凈高2.5 m，凈寬4.3 m，沿15號煤層頂板破底掘進，煤層結(jié)構(gòu)簡單，由頂板向下依次為0.6 m煤，0.4 m夾矸，1.28 m煤，巷道埋深為206.0～405.0 m，平均334 m，自重應(yīng)力8.35 MPa，巷道在掘進過程中局部水平應(yīng)力最高達15.6 MPa。無偽頂，直接頂與老頂均以K2石灰?guī)r為主，但局部存在復(fù)合軟夾層結(jié)構(gòu)，頂板厚度為8.61～9.97 m，平均9.48 m，普氏系數(shù)為8.09。水文地質(zhì)情況簡單，主要為上覆K2石灰?guī)r層間裂隙水。

2 XV3207巷頂板動態(tài)判定研究

2.1 頂板巖層結(jié)構(gòu)動態(tài)判定

頂板結(jié)構(gòu)判定主要包括原生裂隙或軟巖夾層位置、層厚及結(jié)構(gòu)形態(tài)，采用頂板鉆孔窺視儀對XV3207巷距巷口分別于50 m、100 m、150 m位置處的頂板結(jié)構(gòu)進行初期探測，結(jié)果如圖1～3所示。

圖1 50 m處頂板結(jié)構(gòu)

圖2 100 m處頂板結(jié)構(gòu)

圖3 150 m處頂板結(jié)構(gòu)

根據(jù)頂板鉆孔窺視結(jié)果分析，50 m處頂板1.8 m位置存在裂隙，4.6 m位置存在泥巖夾層；100 m處頂板2.2 m位置為方解石脈，5.7 m位置存在泥巖夾層；150 m處頂板2.4 m、5.1 m位置均存在50～200 mm不等的泥巖夾層。

綜上，泥巖夾層出現(xiàn)的位置可以分為三類：①泥巖夾層位于錨桿錨固區(qū)內(nèi)部：淺部為0～0.5 m，深部為0.5～1.5 m；②泥巖夾層位于錨桿錨固區(qū)邊緣：1.7～2.1 m；③泥巖夾層位于錨桿錨固區(qū)外部：2.5～3.5 m或大于5 m。

2.2 頂板巖層強度動態(tài)判定

采用WQCZ-56型小孔徑井下巷道圍巖強度測定裝置，在巷道內(nèi)每隔200 m布置一個頂板圍巖強度測站，共布置4個測站，鉆孔朝向巷道掘進方向打設(shè)，仰角45°，鉆孔深度8～10 m，鉆孔直徑56 mm，對圍巖強度進行判定，測試結(jié)果如圖4。

根據(jù)測試結(jié)果可知，巷道頂板巖石力學特性差異較大，K2石灰?guī)r單軸抗壓強度最高值達125 MPa，最低值為51 MPa，強度較低巖層主要分布在0～1 m、2～3 m范圍內(nèi)。

圖4 XV3207巷強度測試結(jié)果

3 軟巖夾層層位對巷道穩(wěn)定性影響分析

鳳凰山礦15號煤頂板采用長度2 m的錨桿進行支護，因此選取軟巖夾層、離層或裂隙在頂板的三個不同位置進行分析，分別為錨桿錨固區(qū)內(nèi)，錨桿錨固區(qū)邊緣，錨桿錨固區(qū)外，如圖5所示。

圖5 軟巖夾層位于頂板錨桿錨固區(qū)的不同位置

1) 如果軟巖夾層位于錨桿錨固區(qū)的內(nèi)部：① 軟巖夾層位于錨桿錨固段，即軟巖夾層出現(xiàn)在1.1～1.9 m范圍，此類頂板結(jié)構(gòu)只要錨桿錨索及時主動支護，且圍巖整體性與預(yù)緊力足夠使得頂板軟巖夾層上下巖體形成整體結(jié)構(gòu)，頂板不會出現(xiàn)離層垮冒事故[3]；② 軟巖夾層位于錨桿自由段，即軟巖夾層出現(xiàn)在0～1.1 m范圍，尤其是自由段淺部0.2～0.5 m之間，除了錨桿錨索及時主動支護之外，應(yīng)加大頂板的護表強度，比如增設(shè)金屬網(wǎng)等措施，防止淺部巖層相互錯動發(fā)生垮落。

2) 若軟巖夾層位于錨桿錨固區(qū)邊緣，在錨桿預(yù)緊力作用力，錨桿使得軟巖夾層與其下部的巖體不會發(fā)生脫離。但是，由于軟巖夾層在錨桿錨固層的上方，錨桿的預(yù)緊力無法使軟巖上部巖體與軟巖夾層巖體之間產(chǎn)生更高的應(yīng)力，特別是軟巖夾層位置的應(yīng)力環(huán)境發(fā)生破壞以后，加劇了軟巖夾層的破壞，無法進一步改善時，軟巖夾層及其下部錨固體必然在周圍巖體應(yīng)力作用下與軟巖上部巖體發(fā)生脫離，這樣必然導致頂板的離層垮冒[4]。且無論錨桿的預(yù)緊力多高，都無法阻止離層垮冒的發(fā)生。這種頂板條件下，可對頂板采取錨索補強的支護方式，若錨索密度足夠大，所加預(yù)緊力足夠高，通過錨索應(yīng)力施加使得該類頂板條件應(yīng)力狀態(tài)向軟巖夾層在錨索錨固區(qū)內(nèi)部轉(zhuǎn)化，可以達到軟巖夾層在錨桿錨固區(qū)內(nèi)部的支護效果。

3) 如果軟巖夾層位于錨桿錨固區(qū)外部，如果錨桿預(yù)緊力達合適的程度，使其應(yīng)力狀態(tài)趨于極限平衡狀態(tài)，則頂板中錨固區(qū)內(nèi)巖體形成整體的支護結(jié)構(gòu)，只要該支護結(jié)構(gòu)整體承載性能得到改善，周圍巖體的應(yīng)力達不到該結(jié)構(gòu)整體破壞的臨界應(yīng)力，則錨桿錨固體就能夠支撐上部圍巖的應(yīng)力[5]，也就是說，在正常的應(yīng)力條件下，巷道即使在軟巖夾層會出現(xiàn)離層條件下，頂板一般并不會垮冒。但頂板會發(fā)生下沉，如果該種頂板條件下受地下水、強烈動壓影響或是其它因素干擾時，頂板也極易離層垮冒。

4 基于15號煤頂板動態(tài)判定的頂板圍巖支護設(shè)計

4.1 正常頂板條件常規(guī)巷道斷面的頂板支護設(shè)計

1) 錨桿錨固區(qū)0～0.5 m存在軟巖夾層時的頂板支護。4.5 m斷面：每排4根錨桿，排距1 500 mm，間距1 300 mm；5.2 m斷面：每排4根，排距1 500 mm，間距1 500 mm。所有錨桿均垂直頂板打設(shè)，靠近巷幫的頂錨桿允許有10°的偏差。錨索布置：每4排錨桿打1根錨索，排距6 000 mm，垂直頂板巖層打設(shè)。

2) 錨桿錨固區(qū)0.5～1.5 m存在軟巖夾層時的頂板支護。4.5 m斷面：每排3根錨桿，排距1 500 mm，間距1 500 mm；5.2 m斷面：每排4根，排距1 500 mm，間距1 500 mm。所有錨桿均垂直頂板打設(shè)，靠近巷幫的頂錨桿允許有10°的偏差。錨索布置：每4排錨桿打1根錨索，排距6 000 mm，垂直頂板巖層打設(shè)。

3) 錨桿錨固區(qū)邊緣存在軟巖夾層時的頂板支護。4.5 m斷面：每排3根錨桿，排距1 500 mm，間距1 500 mm；5.2 m斷面：每排4根，排距1 500 mm，間距1 500 mm。所有錨桿均垂直頂板打設(shè)，靠近巷幫的頂錨桿允許有10°的偏差。錨索布置：每3排錨桿打1根錨索，排距4 500 mm，垂直頂板巖層打設(shè)。

4) 錨桿錨固區(qū)外存在軟巖夾層的頂板支護。4.5 m斷面：每排3根錨桿，排距1 500 mm，間距1 500 mm；5.2 m斷面：每排4根，排距1 500 mm，間距1 500 mm。所有錨桿均垂直頂板打設(shè)，靠近巷幫的頂錨桿允許有10°的偏差。錨索布置：每4排錨桿打1根錨索，排距6 000 mm，垂直頂板巖層打設(shè)。

4.2 特殊條件下，常規(guī)巷道斷面的頂、幫支護處理措施

1) 頂板出現(xiàn)橫向、斜交或縱向原生裂縫時：①裂縫寬度小于5 mm時，且頂板無離層、不破碎，支護體未出現(xiàn)錨固失效時，可進行正常掘進支護；②裂縫寬度為5～10 mm時，且頂板無離層、不破碎，支護體未出現(xiàn)錨固失效時，在裂縫前后各補打1根單體錨索補強；當頂板出現(xiàn)離層破碎時，需掛金屬網(wǎng)，并在裂縫前后各補打1根單體錨索補強；③裂縫寬度為10～20 mm時，且頂板無離層、不破碎，支護體未出現(xiàn)錨固失效時，在裂縫前后各補打1組槽鋼錨索補強；當頂板出現(xiàn)離層破碎時，需掛金屬網(wǎng)，并在裂縫前后各補打1組槽鋼錨索補強；④裂縫寬度大于20 mm時，需掛金屬網(wǎng)，在裂縫前后補打槽鋼錨索進行補強，且延伸至正常頂板1排。

2) 若巷幫條件差，錨桿支護效果不理想時，適當增大巷道支護強度，具體措施有兩種，一種是每排增打一根單體錨桿，由每排2根錨桿變更為3根錨桿，另一種為在兩排錨桿中間補打一根單體錨桿，如圖6所示。

圖6 巷幫補強支護(mm)

5 巷道圍巖位移監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)以上頂板巖層結(jié)構(gòu)及強度動態(tài)判定分析結(jié)果，采取針對性頂板圍巖支護控制后，在回采期間于XV3207巷600 m、800 m、1 000 m位置分別安設(shè)表面位移測站，對巷道圍巖位移進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖7～9所示。

圖7 600 m處測站監(jiān)測曲線

由圖7可知，600 m處巷道頂?shù)滓平孔畲鬄?69 mm，為巷道初始高度的6.5%，其中頂板下沉11 mm，底鼓量158 mm，巷道兩幫移近量最大為132 mm，為初始巷道兩幫寬度的2.9%。

由圖8可知，800 m處測站巷道頂?shù)滓平孔畲鬄?75 mm，為巷道初始高度的6.7%，其中頂板下沉5 mm，底鼓量170 mm，巷道兩幫移近量最大為126 mm，為初始巷道兩幫寬度的2.8%。

圖8 800 m處測站監(jiān)測曲線

圖9 1 000 m處測站監(jiān)測曲線

由圖9可知，1 000 m處測站巷道頂?shù)滓平孔畲鬄?36 mm，為巷道初始高度的5.2%，其中頂板下沉3 mm，底鼓量133 mm，巷道兩幫移近量最大為148 mm，為初始巷道兩幫寬度的3.3%。

6 結(jié) 語

通過對鳳凰山礦15號煤頂板動態(tài)判定分析，針對性提出與頂板條件對應(yīng)的巷道差異化支護方案，并進行了工業(yè)性試驗，結(jié)果表明，XV3207巷在服務(wù)期間頂板下沉量最大值為11 mm，底鼓量最大值為170 mm，兩幫移近量最大值為148 mm，滿足計劃任務(wù)技術(shù)指標要求。同時，也有效避免了支護過剩現(xiàn)象，既提高了掘進效率，又節(jié)約了材料成本，達到了科學支護與安全高效生產(chǎn)的雙重目的。