中厚軟弱復合頂板巷道控制技術研究

陳康杰

（山西西山晉興能源有限責任公司， 山西 興縣 033600）

我國煤炭資源儲量豐富，但覆存條件較為復雜。隨著我國對煤炭的續期不斷加大，一些易開采的煤層已經逐步開采完畢，開采的目標已經轉向覆存較為復雜的煤層。在開采復雜煤層時，由于煤層頂板為軟弱復合型頂板造成巷道嚴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合頂板煤巷變形較大的問題，設計了“錨桿(索)+金屬網+M 鋼帶+單體支柱”聯合支護方案，并通過現場實測驗證了支護的可行性，為礦山支護做出一定的參考。邊強[2]為解決復雜圍巖應力條件下的巷道失穩現象，提出頂板夾矸劈裂結合滲透注漿加固為主要支護方式，煤體注漿為輔的控制技術，通過現場的驗證發現煤壁基本無片幫現象，巷道的變形得到了改善。孟慶彬[3]針對軟弱破碎復合頂板變形大、難支護的問題，研究了不同錨固參數下梁-拱錨固結構演化規律，并利用FLAC3D 模擬了4種支護方案條件下煤巷圍巖位移與塑性區規律，揭示了不同支護方案下的圍巖控制效果。崔希鵬[4]采用梁-拱結構模型對某礦二盤區的復合頂板巷道進行支護研究，通過現場驗證發現巷道的頂板下沉量比原有的支護方案減少了46.5%，控制了復合頂板巷道的變形破壞。本文通過對軟弱復合頂板巷道進行應力分析，給出了相應的支護方案，并通過監測驗證了支護方案的可行性。

1 軟弱復合頂板破壞機理數值模擬研究

由于巷道的頂板巖層巖性強度較差且為層狀復合結構，所以巷道頂板完整性較差，且當層狀巖層相互間強度不一，當巖層受到外部應力作用時，此時巖層發生離層現象，頂板發生離層破壞。當巷道的巖層由軟弱巖層組成時，復合頂板的各巖層粘結力是不同的。當巷道進行開挖時，此時的巷道頂板受到二向應力，圍巖失去約束作用，巷道的頂板發生彎曲，當頂板巖層的彎曲超過其極限值時，頂板最終發生破壞。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

根據斜溝礦的地質資料發現，巷道頂板巖層為典型的泥巖、砂質泥巖等組成的軟弱巖層。當巷道進行開挖時，此時巖層發生錯動。為了進一步的研究復合軟弱頂板的破壞機理，采用FLAC-3D 數值模擬軟件對此進行模擬研究。

首先進行模型的建立，本文選取采區的下山斷面進行研究，高度及寬度分別為5.2 m 和4.2 m，模型的計算尺寸為100 m×50 m×100 m。模型的強度模型選用摩爾-庫倫模型。對模型進行網格劃分，網格劃分時需要考慮精度等因素，網格劃分較細時，模型的計算時間較長，且對電腦性能的要求較大，網格劃分較粗時，此時的模型計算精度會有所降低，所以網格劃分的合理與否對模型的計算有著較大的影響。完成模型網格劃分后，對模型的物理屬性進行設定，根據實際測量的地質質料對模型進行設定。對模型的水平方向及地面進行固定約束設置，在模型的頂端施加均布應力，大小為上覆巖層的自重，經計算上覆巖層的自身質量為15 MPa。計算模型的示意圖如圖2 所示。

圖2 數值計算模型示意圖

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

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

從巷道的垂直應力分布圖可以看出，巷道的軟弱復合頂板及巷道的兩幫在表層位置的垂直應力較低，但在距離巷道左右兩幫1.5 m 的位置存在垂直應力的集中現象。由于頂部巖層的軟弱性，巷道頂板及底板的垂直應力會朝著巷道兩幫進行移動，導致巷道的兩幫位置出現垂直應力集中核。下山開挖后應力及塑性區數值模擬云圖如圖3 所示。

圖3 下山開挖后巷道應力及塑性分布云圖

為了對軟弱頂板的離層現象進行一定的限制，本文對巷道的復合頂板進行加固，對破碎且穩定性較差的圍巖進行注漿加固。通過注漿系統將漿液注入軟弱煤巖的空隙中，當注入的漿液凝固后形成網絡骨架，較好的提高了圍巖的強度及整體性。

2 注漿錨索支護效果研究

本文設計的注漿錨索支護參數如圖4 所示，頂錨索的規格為直徑21.6 mm，長度為6 300 mm，錨索的間排距為1 400 mm×1 600 mm。幫錨索的規格同樣為直徑21.6 m，1×7 股高強度預應力鋼絞線，長度為6 300 mm，幫錨桿的間排距為1 400 mm×1 600 mm。錨索的托盤規格為300 mm×330 mm×16 mm。鉆機打孔一般在淺部500 mm 的范圍內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行安裝，對錨索進行預緊，對錨索孔進行注漿，完成注漿錨索加固支護。

圖4 注漿錨索支護參數（mm）

完成注漿錨索支護后，為了對支護效果進行分析，本文在圍巖內布置6 個測站，分別在錨注加固范圍內布置4 個表面位移測量站，在未支護的圍巖區域布置兩個對比位移測量站，其中1 號和2 號為未支護區域內的，剩余為支護后范圍內的。監測曲線如下頁圖5 所示。

通過監測發現在未經過加固的區域頂板底板及兩幫的位移量均高于經過支護的區域。在未支護的位置兩幫最大位移量達到了489 mm，頂板及底板的移近量為845 mm，巷道的變形嚴重。經過錨索注漿支護后，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。圍巖的穩定性得到了大幅度的改善，支護起到了極好的支護效果[5]。

圖5 測站監測變形曲線

3 結論

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

2）通過對實際資料及數值模擬結果的分析，選擇了采用注漿錨索支護的形式對軟弱巖層巷道進行支護。

3）對選定的支護方案進行現場實測，通過對巷道布置表面位移表對巷道的支護效果進行了分析，發現支護后的圍巖穩定性有了大幅度提升，巷道的變形量明顯減小。