復(fù)合頂板巷道破壞機(jī)理及支護(hù)技術(shù)研究

趙 坡

(山西汾河焦煤股份有限公司 三交河煤礦,山西 洪洞 041600)

某礦11#煤層巷道圍巖巖性特征變化比較大,巷道頂板局部有軟弱泥巖,且煤巖間膠結(jié)性較差,巷道在掘進(jìn)時(shí)頂板出現(xiàn)隨掘隨落現(xiàn)象,屬于典型的復(fù)合頂板。復(fù)合頂板的管理是巷道支護(hù)的重點(diǎn)、難點(diǎn)。呂兆海[1]等提出了“柔性抗剪支護(hù)+高預(yù)應(yīng)力幫部加固+弱面補(bǔ)強(qiáng)+噴漿封閉”控制方式,采用高預(yù)應(yīng)力衍架結(jié)構(gòu),有效控制頂板變形;牛利榮[2]根據(jù)力學(xué)模型提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)法進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì);孔憲法[3]提出了“錨桿-單體錨索-桁架錨索”三階梯次支護(hù),形成超強(qiáng)承載結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)圍巖整體穩(wěn)定性和自承能力的目的。但上述理論不具備普適性。

本文以礦井11-0031巷圍巖支護(hù)為研究對(duì)象,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道破壞特征,采用圍巖控制技術(shù),優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)、控制頂板淋水、嚴(yán)抓工程質(zhì)量,有效解決了該工作面支護(hù)困難的難題。

1 工作面概況

1.1 工作面頂?shù)装鍘r性

11-0031巷處于井下+850 m水平,埋深287 m,最大水平主應(yīng)力為8.58 MPa,最小水平主應(yīng)力為4.45 MPa,垂直應(yīng)力為6.66 MPa,地應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于低應(yīng)力區(qū)。巷道沿11#煤頂板掘進(jìn),煤層厚度2.7 m。11#煤頂?shù)装鍘r性綜合柱狀圖見圖1。

圖1 頂?shù)装鍘r性綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive stratum histogram of roof and floor lithology

1.2 巷道支護(hù)形式

根據(jù)工程類比法及錨桿支護(hù)理論分析設(shè)計(jì)法[5],確定巷道斷面為矩形,掘?qū)挕辆蚋?4.5 m×3 m,工作面沿11#煤層頂板掘進(jìn),頂板采用錨網(wǎng)、鋼帶聯(lián)合錨索支護(hù)。頂錨桿選用Φ20 mm×2.5 m的高強(qiáng)錨桿,“六六”布置,間排距800 mm×800 mm;頂錨索選用Φ21.6 mm×8.2 m的鋼絞線,“二二”布置,間排距1 600 mm×2 000 mm,每6 m施工一組至K2灰?guī)r1 m以上；錨索托盤采用22#槽鋼匹配180 mm×180 mm×12 mm平鋼板；錨固劑選用兩條Z2388型樹脂錨固劑。

2 巷道破壞特征及機(jī)理

2.1 巷道破壞特征

2.1.1現(xiàn)場(chǎng)破壞特征

工作面掘進(jìn)期間,頂板不平整、完整性差,迎頭出現(xiàn)隨掘隨落現(xiàn)象,最大冒落高度在1.0 m左右;巷道內(nèi)局部有錨索外露長(zhǎng),金屬網(wǎng)銹蝕,錨索托盤變形等現(xiàn)象;頂板出現(xiàn)離層,較為破碎,出現(xiàn)網(wǎng)包,但兩幫相對(duì)完整,在原有支護(hù)條件下,滿足不了巷道支護(hù)強(qiáng)度；現(xiàn)場(chǎng)采用架設(shè)“一梁三柱”的方式補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),雖能控制巷道變形,但影響后期支護(hù)效果,為巷道管理帶來困難。

2.1.2頂板內(nèi)部窺視

巷道開挖后,巷道圍巖應(yīng)力重新分布,頂板內(nèi)部破壞出現(xiàn)松動(dòng)圈,采用窺視儀對(duì)內(nèi)部破壞形態(tài)窺視可知,頂板淺部0～1.2 m范圍內(nèi)煤巖體多出現(xiàn)離層和破碎圍巖,并伴隨裂隙發(fā)育。隨著巷道向前推進(jìn),裂隙和破碎帶進(jìn)一步發(fā)育,松動(dòng)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,淺部破碎范圍達(dá)到2 m。圖2為頂板1.2 m處破碎情況,圖3為頂板2.0 m處破碎情況。

2.2 巷道破壞機(jī)理

2.2.1巷道圍巖性質(zhì)

1)復(fù)合頂板具有明顯的層狀特性,且各相鄰巖層之間在厚度、彈性模量等其他力學(xué)參數(shù)上都具有很大的差別,導(dǎo)致層間粘結(jié)力弱,在受到擾動(dòng)后,容易沿夾層發(fā)生水平方向的剪切滑移和垂直方向的拉伸離層破壞[4]。

2)通常含有多個(gè)軟弱夾層或煤層的頂板,這些軟弱夾層或煤線厚度一般都比較小,但節(jié)理和裂隙都發(fā)育較好,在高應(yīng)力作用下容易發(fā)生層間剝離。

3)泥巖屬于不穩(wěn)定巖層,巷道開挖后,圍巖應(yīng)力會(huì)達(dá)到新的平衡狀態(tài),受頂板自身承載能力、風(fēng)化作用或其他地質(zhì)構(gòu)造等多種因素影響,巷道局部會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,容易發(fā)生變形破壞。

2.2.2頂板淋水影響

1)頂板距離K2灰?guī)r或其他含水層較近,且局部頂板會(huì)裂隙發(fā)育。在施工錨索期間,形成導(dǎo)水孔,安裝錨索時(shí)錨固劑遇水后物理性質(zhì)破壞,進(jìn)而導(dǎo)致錨桿、錨索的錨固力下降,支護(hù)效果削弱。同時(shí)水減慢了錨固劑凝結(jié)速度,容易造成錨固劑流失,從而減小錨索及錨桿的實(shí)際錨固長(zhǎng)度。

2)泥巖浸水后,圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,內(nèi)聚力減弱,在淋水與風(fēng)干雙重作用下,圍巖強(qiáng)度減弱,裂隙增大,隨著影響時(shí)間的增加,松動(dòng)圈范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

3)淋水夾雜著煤層內(nèi)的硫份時(shí),錨桿、錨索、鋼筋網(wǎng)等支護(hù)材料容易受到腐蝕,金屬構(gòu)件的力學(xué)性能相對(duì)減弱,支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性也相對(duì)降低。

2.2.3支護(hù)材料選擇

錨索托盤選用22#槽鋼配套180 mm×180 mm×12 mm平鋼板。一是由于頂板表面不能確保平整,錨索施工時(shí)不能保證位于槽鋼孔正中,錨索傾斜角度較大,錨索外露部分容易受到彎剪破壞,不利于錨索預(yù)緊力擴(kuò)散;二是槽鋼孔和鋼板均為人工氧焊,成孔不夠平滑,容易剪切錨索;三是平托板無法調(diào)心,錨索受力容易偏載,嚴(yán)重時(shí)托盤會(huì)將錨索切斷。

2.2.4預(yù)緊力設(shè)定

原設(shè)計(jì)中錨索預(yù)緊力為160 kN,考慮錨索張拉后30%的預(yù)緊力損失,實(shí)際預(yù)緊力為110 kN。直徑為Φ21.6 mm的錨索索體破斷載荷為520 kN,在錨桿錨索預(yù)緊力初始值的選擇中,一般要求預(yù)緊力為桿體屈服強(qiáng)度的30%～50%,錨索預(yù)緊力初始值應(yīng)達(dá)到索體破斷載荷的40%～70%[5]。因此,錨索設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力較低,錨索懸吊作用難以發(fā)揮。

3 圍巖控制技術(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道破壞特征,分析了巷道破壞機(jī)理。因此,對(duì)于復(fù)合頂板的巷道變形破壞可以從以下三方面進(jìn)行控制。

3.1 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)

1)調(diào)整錨索預(yù)緊力及錨索長(zhǎng)度。當(dāng)預(yù)應(yīng)力一定時(shí),長(zhǎng)錨索的預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果較弱,支護(hù)效果相對(duì)較差,可適當(dāng)減短錨索長(zhǎng)度或提高錨索的預(yù)應(yīng)力。根據(jù)錨索破斷載荷和應(yīng)力損失,確定錨索預(yù)緊力在200～250 kN。將錨索錨固區(qū)固定在巖層厚度大、穩(wěn)定性較好的巖層中,阻止破壞向深部發(fā)展。選用長(zhǎng)錨索為骨架,短錨索或錨桿控制淺部巖層不連續(xù)面的支護(hù)方式,確保巷道穩(wěn)定。當(dāng)頂板無穩(wěn)定巖層時(shí),要求錨索長(zhǎng)度高于自然平衡拱2 m。

2)選用力學(xué)性能與錨索強(qiáng)度配套、規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm拱形高強(qiáng)度錨索托盤,拱高60 mm以上,安裝高強(qiáng)度調(diào)心球墊。

3.2 控制頂板淋水

1)巷道在變坡點(diǎn)或頂板有破碎、裂隙時(shí),頂板容易出現(xiàn)淋水。進(jìn)入頂板淋水區(qū)域時(shí),布置疏水鉆孔進(jìn)行放水,鉆孔采用全液壓ZDY1200S鉆機(jī)配合Φ42 mm長(zhǎng)1.5 m的鉆桿，Φ56 mm鉆頭,在巷道正中沿著巷道掘進(jìn)方向施工疏水孔。鉆孔與頂板夾角為50°,與巷道夾角為0°,深度15 m(施工至K2灰?guī)r),現(xiàn)場(chǎng)一般施工2個(gè)疏水孔,間距為5.0 m。放水后,頂板滴淋水現(xiàn)象明顯減少。通過放水,一是降低了水對(duì)泥巖的弱化作用;二是確保了錨固劑的錨固質(zhì)量。

2)施工錨索時(shí),錨索端頭要避免施工至K2灰?guī)r,疏通K2灰?guī)r水。當(dāng)頂板有淋水時(shí),由兩條Z2388型樹脂錨固劑變更為兩條Z2388和一條CKb2340型樹脂錨固劑,CKb2340型樹脂錨固劑放置孔底。主要原因,一是超快型錨固劑能夠快速凝固,二是增加錨固長(zhǎng)度能夠減少端頭錨固劑流失量,確保錨索預(yù)緊力達(dá)標(biāo)。

3.3 嚴(yán)抓工程質(zhì)量

1)巷道開挖初期,圍巖變形較小,及時(shí)安裝錨網(wǎng)索支護(hù)能夠有效控制圍巖變形。同時(shí)嚴(yán)格按照安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)程要求施工,保證各支護(hù)參數(shù)達(dá)標(biāo)。

2)為確保圍巖支護(hù)效果,在支護(hù)設(shè)計(jì)方面必須建立地質(zhì)力學(xué)評(píng)估→初始設(shè)計(jì)→井下監(jiān)測(cè)→日常監(jiān)控/信息反饋→修正/優(yōu)化設(shè)計(jì)的支護(hù)設(shè)計(jì)體系；同時(shí)采用數(shù)據(jù)觀測(cè)→數(shù)據(jù)收集→數(shù)據(jù)分析→信息反饋→現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行→現(xiàn)場(chǎng)回饋的閉合管理模式,實(shí)現(xiàn)頂板變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、礦壓變化規(guī)律分析、支護(hù)設(shè)計(jì)驗(yàn)證和優(yōu)化。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

采用圍巖控制技術(shù)后,用礦壓監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)反饋的方式驗(yàn)證支護(hù)效果。

4.1 頂板離層監(jiān)測(cè)

在巷道頂板正中安設(shè)離層儀對(duì)頂板離層情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),深基點(diǎn)布置在巷道頂板9 m處(超過錨索端頭1 m),淺基點(diǎn)布置在巷道頂板2.4 m處(位于錨桿端頭),深基點(diǎn)初安值設(shè)定為3 mm、淺基點(diǎn)初安值設(shè)定為2 mm,根據(jù)圖4可知,頂板未發(fā)生離層現(xiàn)象,頂板較穩(wěn)定。

圖4 離層儀深/淺基點(diǎn)變化曲線Fig.4 Variation curves of deep/shallow base point of separation instrument

4.2 錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)安設(shè)錨索測(cè)力計(jì)對(duì)錨桿/索受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖5為測(cè)力計(jì)安裝位置圖,圖6為錨桿/索受力變化曲線圖。

通過錨桿/索受力變化曲線可知,錨索及巷道中部錨桿受力變化較大,均未超過屈服載荷,說明采取措施有效。其中:頂板3#、4#錨桿測(cè)力計(jì)變大是由于巷道開挖后,頂板雙支梁結(jié)構(gòu)向下彎曲,這是巷道中部錨桿/索壓力變化最大的原因,所以在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)或監(jiān)測(cè)時(shí),錨索盡量安設(shè)在巷道中部,增強(qiáng)錨索的主動(dòng)支護(hù)能力。頂板右側(cè)6#錨桿測(cè)力計(jì)變化幅度大是由于巷道頂板存在傾角(左高右低),導(dǎo)致頂板壓力向右側(cè)偏移,所以巷道在掘進(jìn)期間,需注意頂板傾角或圍巖其他構(gòu)造對(duì)巷道的影響,以便加強(qiáng)支護(hù)。

圖5 測(cè)力計(jì)安裝位置圖Fig.5 Installation location of dynamometer

圖6 錨桿/索受力變化曲線Fig.6 Stress variation of anchor/cable

4.3 現(xiàn)場(chǎng)反饋

已掘巷道出現(xiàn)破碎、網(wǎng)包的現(xiàn)象明顯減少,說明采用錨桿支護(hù)改善圍巖淺部破碎狀態(tài),可提高整體承載能力及完整性。但巷道在掘進(jìn)期間,由于地質(zhì)條件影響局部仍出現(xiàn)隨掘隨落的現(xiàn)象,現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)支護(hù)后,能夠明顯改善支護(hù)環(huán)境,同時(shí)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)質(zhì)量檢測(cè),確保支護(hù)可靠。在巷道受二次采動(dòng)對(duì)圍巖完整狀態(tài)影響較弱時(shí),可在本煤層工作面設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)放開支護(hù)排距。

綜上所述,采用圍巖控制技術(shù)后,巷道支護(hù)安全可靠,支護(hù)強(qiáng)度能夠滿足巷道支護(hù)要求,提高了圍巖的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

11-0031巷道采用圍巖控制技術(shù)后,明顯改善了支護(hù)環(huán)境,巷道圍巖的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)一步提高,巷道支護(hù)安全可靠,為本煤層同類型巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。