中厚軟弱復(fù)合頂板巷道控制技術(shù)的研究

趙 猛

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司西曲礦， 山西 太原 030053）

引言

我國煤炭資源儲(chǔ)量豐富，但覆存條件較為復(fù)雜。隨著我國對煤炭的續(xù)期不斷加大，一些易開采的煤層已經(jīng)逐步開采完畢，開采的目標(biāo)已經(jīng)轉(zhuǎn)向覆存較為復(fù)雜的煤層。在開采復(fù)雜煤層時(shí)，由于煤層頂板為軟弱復(fù)合型頂板造成巷道嚴(yán)重變形的問題成為了困擾礦山開采的一大問題，此前軒召軍[1]為了解決深埋大跨度的復(fù)合頂板煤巷變形較大的問題，設(shè)計(jì)了“錨桿（索）+金屬網(wǎng)+M鋼帶+單體支柱”聯(lián)合支護(hù)方案，并通過現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證了支護(hù)的可行性，為礦山支護(hù)做出一定的參考。邊強(qiáng)[2]為解決復(fù)雜圍巖應(yīng)力條件下的巷道失穩(wěn)現(xiàn)象，提出頂板夾矸劈裂結(jié)合滲透注漿加固為主要支護(hù)方式，煤體注漿為輔的控制技術(shù)，通過現(xiàn)場的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)煤壁基本無片幫現(xiàn)象，巷道的變形得到了改善。孟慶彬[3]針對軟弱破碎復(fù)合頂板變形大、難支護(hù)的問題，研究了不同錨固參數(shù)下梁- 拱錨固結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，并利用FLAC3D 模擬了4 種支護(hù)方案條件下煤巷圍巖位移與塑性區(qū)規(guī)律，揭示了不同支護(hù)方案下的圍巖控制效果。崔希鵬[4]采用梁- 拱結(jié)構(gòu)模型對某礦二盤區(qū)的復(fù)合頂板巷道進(jìn)行支護(hù)研究，通過現(xiàn)場驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)巷道的頂板下沉量比原有的支護(hù)方案減少了46.5%，控制了復(fù)合頂板巷道的變形破壞。本文通過對軟弱復(fù)合頂板巷道進(jìn)行應(yīng)力分析，給出了相應(yīng)的支護(hù)方案，并通過監(jiān)測驗(yàn)證了支護(hù)方案的可行性。

1 軟弱復(fù)合頂板破壞機(jī)理數(shù)值模擬的研究

由于巷道的頂板巖層巖性強(qiáng)度較差且為層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，所以巷道頂板完整性較差，且當(dāng)層狀巖層相互間強(qiáng)度不一，當(dāng)巖層受到外部應(yīng)力作用時(shí)，此時(shí)巖層發(fā)生離層現(xiàn)象，頂板發(fā)生離層破壞。當(dāng)巷道的巖層由軟弱巖層組成時(shí)，復(fù)合頂板的各巖層黏結(jié)力是不同的。當(dāng)巷道進(jìn)行開挖時(shí)，此時(shí)的巷道頂板受到二向應(yīng)力，圍巖失去約束作用，巷道的頂板發(fā)生彎曲，當(dāng)頂板巖層的彎曲超過其極限值時(shí)，頂板最終發(fā)生破壞。巷道開挖前后巖層的受力情況如圖1 所示。

圖1 巷道開挖前后巖層的受力情況對比圖

根據(jù)斜溝礦的地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，巷道頂板巖層為典型的泥巖、砂質(zhì)泥巖等組成的軟弱巖層。當(dāng)巷道進(jìn)行開挖時(shí)，此時(shí)巖層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。為了進(jìn)一步地研究復(fù)合軟弱頂板的破壞機(jī)理，采用FLAC-3D 數(shù)值模擬軟件對此進(jìn)行模擬研究。

首先進(jìn)行模型的建立。本文選取采區(qū)的下山斷面進(jìn)行研究，高度及寬度分別為5.2 m 和4.2 m，模型的計(jì)算尺寸為100 m×50 m×100 m。模型的強(qiáng)度模型選用摩爾—庫倫模型。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時(shí)需要考慮精度等因素，網(wǎng)格劃分較細(xì)時(shí)，模型的計(jì)算時(shí)間較長，且對電腦性能的要求較大，網(wǎng)格劃分較粗時(shí)，此時(shí)的模型計(jì)算精度會(huì)有所降低，所以網(wǎng)格劃分的合理與否對模型的計(jì)算有著較大的影響。完成模型網(wǎng)格劃分后，對模型的物理屬性進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)實(shí)際測量的地質(zhì)質(zhì)料對模型進(jìn)行設(shè)定。對模型的水平方向及地面進(jìn)行固定約束設(shè)置，在模型的頂端施加均布應(yīng)力，大小為上覆巖層的自重，經(jīng)計(jì)算上覆巖層的自重為15 MPa。計(jì)算模型的示意圖如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型示意圖

軌道下山開挖時(shí)，從其巷道的塑性破壞區(qū)的分布情況可以看成出，巷道的頂板兩頂角部位發(fā)生剪切塑性破壞，巷道的表層巖層發(fā)生拉伸和剪切破壞，巷道的深部巖層發(fā)生剪切破壞。在頂板3 m 的范圍內(nèi)巖層均出現(xiàn)塑性破壞。在巷道的兩幫及底板位置表層圍巖也出現(xiàn)了剪切和拉伸破壞。這是由于巷道開采后，圍巖的應(yīng)力重新分布，圍巖的應(yīng)力分布隨著巷道開挖方向移動(dòng)，并在巷道的頂板及底板處出現(xiàn)應(yīng)力集中，由于應(yīng)力的急劇增加，此時(shí)的頂板及底板巖層發(fā)生塑性破壞。在巷道的兩幫位置，由于承受的應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，此時(shí)的巷道兩幫發(fā)生剪切塑性破壞，造成兩幫的片幫。

從軌道下山巷道開挖的水平應(yīng)力分布情況可以看出，水平應(yīng)力的分布情況呈現(xiàn)出層狀分布的狀態(tài)。在各巖層的分界面處發(fā)生巖層間的錯(cuò)動(dòng)。巷道的表層圍巖水平壓應(yīng)力較低，且在此區(qū)域的軟弱煤層有發(fā)生破壞的可能。由于上覆巖層的自重較大，煤層不能承受上覆巖層的應(yīng)力發(fā)生水平方向的剪切破壞，水平應(yīng)力呈現(xiàn)出對稱分布的形態(tài)，對稱軸為巷道垂直軸線。

從巷道的垂直應(yīng)力分布圖可以看出，巷道的軟弱復(fù)合頂板及巷道的兩幫在表層位置的垂直應(yīng)力較低，但在距離巷道左右兩幫1.5 m 的位置存在垂直應(yīng)力的集中現(xiàn)象。由于頂部巖層的軟弱性，巷道頂板及底板的垂直應(yīng)力會(huì)朝著巷道兩幫進(jìn)行移動(dòng)，導(dǎo)致巷道的兩幫位置出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中核。

為了對軟弱頂板的離層現(xiàn)象進(jìn)行一定的限制，本文對巷道的復(fù)合頂板進(jìn)行加固，對破碎且穩(wěn)定性較差的圍巖進(jìn)行注漿加固。通過注漿系統(tǒng)將漿液注入軟弱煤巖的空隙中，當(dāng)注入的漿液凝固后形成網(wǎng)絡(luò)骨架，較好的提高了圍巖的強(qiáng)度及整體性。

2 注漿錨索支護(hù)效果的研究

本文設(shè)計(jì)的注漿錨索支護(hù)參數(shù)如圖3 所示，頂錨索的規(guī)格為直徑21.6 mm，長度為6 300 mm，錨索的間排距為1 400 mm×1 600 mm。幫錨索的規(guī)格同樣為直徑21.6 m，1×7 股高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度為6 300 mm，幫錨桿的間排距為1 400 mm×1 600 mm。錨索的托盤規(guī)格為300 mm×330 mm×16 mm。鉆機(jī)打孔一般在淺部500 mm 的范圍內(nèi)送入錨固劑插入錨桿，錨固錨索并套入注漿管，注漿管長度為650 mm，外露部分長度為150 mm。對錨索和注漿管的外接套件進(jìn)行安裝，對錨索進(jìn)行預(yù)緊，對錨索孔進(jìn)行注漿，完成注漿錨索加固支護(hù)。

圖3 注漿錨索支護(hù)參數(shù)（單位：mm）

完成注漿錨索支護(hù)后，為了對支護(hù)效果進(jìn)行分析，本文在圍巖內(nèi)布置6 個(gè)測站，分別在錨注加固范圍內(nèi)布置4 個(gè)表面位移測量站，在未支護(hù)的圍巖區(qū)域布置兩個(gè)對比位移測量站，其中2 個(gè)為未支護(hù)區(qū)域內(nèi)的，剩余為支護(hù)后范圍內(nèi)的。

通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)在未經(jīng)過加固的區(qū)域頂板底板及兩幫的位移量均高于經(jīng)過支護(hù)的區(qū)域。在未支護(hù)的位置兩幫最大位移量達(dá)到了489 mm，頂板及底板的移近量為845 mm，巷道的變形嚴(yán)重。經(jīng)過錨索注漿支護(hù)后，圍巖的變形明顯減小，兩幫最大位移量為39.7 mm，頂板及底板的移近量為129.3 mm。圍巖的穩(wěn)定性得到了大幅度的改善，支護(hù)起到了極好的支護(hù)效果。

3 結(jié)論

1）本文對巷道軟弱復(fù)合型頂板的破壞機(jī)理進(jìn)行分析，給出了頂板巖層離層原因，并對復(fù)合型頂板受力進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2）通過對實(shí)際資料及數(shù)值模擬結(jié)果分析，選擇了采用注漿錨索支護(hù)的形式對軟弱巖層巷道進(jìn)行支護(hù)。

3）對選定的支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，通過對巷道布置表面位移表對巷道的支護(hù)效果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)支護(hù)后的圍巖穩(wěn)定性有了大幅度提升，巷道的變形量明顯減小。