多類型復合頂板錨桿預應(yīng)力場分布特征及支護優(yōu)化

李風珍

(晉能集團有限公司科技發(fā)展部，山西 太原 030006)

煤礦巷道大多數(shù)處于沉積巖層中，頂板一般由一種或多種巖層和層理面組合而成，結(jié)構(gòu)類型復雜多變，導致巷道破壞機理和破壞特征差異性很大[1-2]。錨桿支護作為巷道的主要支護形式，是復合頂板巷道圍巖控制的主要手段[3]。相關(guān)研究表明[4-5]，對于復合頂板巷道，錨桿支護的實質(zhì)是通過消除層狀巖體層理間的巖體力學性能弱化作用，使巖體趨于完整，充分發(fā)揮圍巖的整體承載能力。預應(yīng)力作為錨桿支護的核心，其在復合巖層中的分布擴散對改善層狀巖體力學性能具有重要作用[6-7]。

針對晉能集團陽泉礦區(qū)巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)的多樣性與復雜性，在大范圍頂板原位強度測試和圍巖結(jié)構(gòu)窺視的基礎(chǔ)上，對巷道頂板結(jié)構(gòu)類型進行劃分。建立數(shù)值模型，對比分析不同組合巖層和錨固參數(shù)下錨桿預應(yīng)力場的分布特征。基于預應(yīng)力場擴散效果，對復合頂板巷道錨桿支護參數(shù)進行優(yōu)化，并選取典型巷道進行現(xiàn)場實踐驗證。

1 巷道頂板結(jié)構(gòu)類型劃分

1.1 主采煤層地質(zhì)概況

晉能集團陽泉礦區(qū)分布的礦井主要有上社、二景、和諧、常順、程莊、皇后、保安等，所有礦井均開采15#煤層。另外，上社礦井同時開采9#煤層，常順礦井同時開采12#煤層。 其中，9#煤層厚10 m左右，頂板為砂質(zhì)泥巖和薄煤層互層；12#煤層厚8.7 m左右，頂板為厚層砂質(zhì)泥巖和泥巖；15#煤層厚5～10m，頂板為砂質(zhì)泥巖和K2灰?guī)r互層。上社、二景、和諧、常順、程莊、皇后等礦井埋深200～500 m，保安礦井埋深800 m左右。上社礦井9#煤層與15#煤層層間距100 m左右，常順礦井12#煤層與15#煤層層間距25～40 m。

1.2 頂板強度測試分析

采用觸探法強度測試儀和結(jié)構(gòu)窺視儀，對陽泉礦區(qū)巷道頂板和巷幫10 m范圍內(nèi)的圍巖強度和節(jié)理裂隙發(fā)育進行了原位測試，各主采煤層巷道頂板強度測試測試結(jié)果如圖1所示。

由圖1～3可得出以下結(jié)論。①陽泉礦區(qū)所采9#煤層厚度較大，多數(shù)巷道托頂煤，頂板以煤層、泥巖砂質(zhì)泥巖為主，平均強度13～32 MPa，頂板巖層中有兩層強度較低的煤層，可視為軟弱夾層。 ②12#煤層巷道同樣多數(shù)托頂煤，頂板巖性以頂煤、泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，強度在11～55 MPa之間，頂板巖層強度分布呈下軟上硬。③15#煤層頂板以砂質(zhì)泥巖、砂巖、石灰?guī)r為主，強度為11～120 MPa，頂板強度分布差異明顯，局部節(jié)理裂隙比較發(fā)育，煤體松軟。幾乎各礦頂板均有強度較高的K2灰?guī)r，強度在100 MPa以上。皇后礦井、二景礦井和保安礦井為沿頂板掘進，保安礦井頂板中部強度較低，頂板下部和上部則強度偏高；二景礦井頂板下部強度偏高，頂板上部則強度較低；皇后礦井頂板下部強度偏低，頂板上部則強度較高；常順礦井、程莊礦井、和諧礦井、上社礦井等掘進時托頂煤，常順礦井和和諧礦井頂板中部強度較高，頂板下部和上部則強度偏低；程莊礦井和上社礦井則頂板中部強度較低，頂板下部和上部則強度偏高。

圖1 9#煤層巷道頂板強度Fig.1 9# coal seam roadway roof strength

圖2 12#煤層巷道頂板強度Fig.2 12# coal seam roadway roof strength

圖3 15#煤層巷道頂板強度Fig.3 15# coal seam roadway roof strength

1.3 頂板結(jié)構(gòu)類型劃分

通過對陽泉等礦井的多條復合層狀頂板巷道進行調(diào)研和現(xiàn)場原位測試結(jié)果，繪制典型巷道頂板巖層巖性及強度曲線，如圖4所示。由圖4可知，陽泉礦井錨桿錨索支護10 m范圍內(nèi)的巖性主要包括軟弱的頂煤和泥巖，強度普遍在30 MPa以下；中等強度的砂質(zhì)泥巖，強度普遍在30～60 MPa之間；堅硬的石灰?guī)r和砂巖，強度普遍在60 MPa以上。

根據(jù)巷道巖層結(jié)構(gòu)探測得到的有關(guān)鉆孔柱狀及其組合形式，巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)類型可分為4種，圖5(a)為由泥巖、頂煤、砂質(zhì)泥巖組成的軟弱型頂板；圖5(b)為從頂板淺部到深部由泥巖或煤層和石灰?guī)r或砂巖組成的軟硬相間型頂板；圖5(c)為從頂板淺部到深部由石灰?guī)r或砂巖和砂質(zhì)泥、泥巖或煤層組成的下硬上軟型頂板；圖5(d)為硬軟相間型頂板。

2 復合頂板錨桿支護預應(yīng)力分布特征

建立數(shù)值模型，對比分析單一巖層和復合巖層不同組合順序(軟-硬、硬-軟)、不同錨固方式(端部錨固與加長錨固)、不同組合構(gòu)件(W鋼帶、W鋼護板、托盤、鋼筋托梁)、不同預緊力情況下預應(yīng)力分布特征，對不同類型復合巖層錨固參數(shù)進行優(yōu)化。單一巖層、兩層復合巖層和三層復合巖層錨桿預應(yīng)力場分布規(guī)律如圖6所示。

通過對比分析不同方案下預應(yīng)力場分布特征，得出如下結(jié)論。

1) 對于單一巖層，無論是硬巖還是軟巖，錨桿預應(yīng)力整體上呈“兩拉一壓”的分布特征，即托板上方形成的壓應(yīng)力Ⅰ區(qū)，錨固段下方形成的壓應(yīng)力Ⅱ區(qū)和錨固段附近受拉形成的拉應(yīng)力區(qū)Ⅲ區(qū)。兩者的差異是在托板處形成的壓應(yīng)力峰值軟巖高于硬巖。

2) 對于兩層復合巖層，錨桿預應(yīng)力場整體上呈“兩拉一壓”的分布特征，但由于層理面的存在，導致錨桿預應(yīng)力場在圍巖中的不連續(xù)分布，高壓應(yīng)力(比如0.05 MPa)的分布范圍明顯小于單一巖層。此外，就壓應(yīng)力分布范圍而言，軟-硬復合巖層的托板壓應(yīng)力范圍(Ⅰ區(qū))要好于硬-軟復合巖層。

圖4 典型巷道頂板巖性及強度曲線Fig.4 Lithology and strength curve of typical roadway roof

圖5 巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)類型Fig.5 Structure type of roadway roof

圖6 單一巖層錨桿支護預應(yīng)力場Fig.6 Prestressed field of single rock bolt support

圖7 兩層復合巖層錨桿支護預應(yīng)力場Fig.7 Prestressed field of bolt support in two-layer composite rock stratum

圖8 三層復合巖層錨桿支護預應(yīng)力場Fig.8 Prestressed field of bolt support in three-layer composite rock stratum

3) 對于三層復合巖層，由于多層層理面的存在，錨桿預應(yīng)力分布不連續(xù)特征更加明顯。其中硬軟相間型復合巖層預應(yīng)力不連續(xù)性比軟硬相間型復合巖層更突出。這是由于軟硬相間復合巖層中Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)擴散效果更好，能夠有效結(jié)合，而硬軟相間型復合巖層，擴散范圍小，不能有效連接成片。

4) 通過對比分析不同護表構(gòu)件和錨固方式情況下預應(yīng)力分布效果，得到不同支護構(gòu)件預應(yīng)力擴散效果依次為：W鋼帶、W鋼護板、托盤、鋼筋托梁；對于復合頂板錨固參數(shù)優(yōu)化來說，優(yōu)先將錨固段布置在硬巖中，保證錨固力的前提下，留設(shè)一定自由段長度，有利于預應(yīng)力在圍巖中充分作用；對于層理發(fā)育頂板，通過合理控制錨固長度，使層理面位于錨固段中后部，避開錨桿拉應(yīng)力集中區(qū)域，可以降低錨桿拉應(yīng)力對層理面的影響。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 工程概況

陽泉礦區(qū)上社礦井9304進風巷設(shè)計長度1 743 m，巷道沿9#煤層頂板掘進，掘進斷面寬5.0 m，掘進斷面高3.1 m，掘進斷面積15.5 m2。巷道地面標高1 160～1 270 m，井下標高860～930 m。巷道為動壓巷道，巷道距9306回風巷的凈煤柱尺寸25 m。

現(xiàn)場地質(zhì)力學測試結(jié)果表明：巷道頂板10 m范圍之內(nèi)0～2.8 m為泥巖，平均強度28.5 MPa；2.8～4.2 m為8#煤層，黑色，較為完整，平均強度13.98 MPa；4.2～7.7 m為砂質(zhì)泥巖，巖層基本完整，無明顯裂隙，平均強度31.99 MPa；7.8～8.1 m為薄煤層，-平均強度為12.71 MPa；8.2～10.0 m為砂質(zhì)泥巖，灰黑色，局部裂隙發(fā)育，平均強度。頂板10 m范圍內(nèi)巖層強度平均值25.3 MPa。巷幫煤體較為完整，無明顯裂隙與破碎帶，10 m范圍內(nèi)強度平均值9.3 MPa。水壓致裂法地應(yīng)力測試結(jié)果顯示該巷道附近最大水平主應(yīng)力σH=10.9 MPa，最小水平主應(yīng)力σk=6.1 MPa，垂直主應(yīng)力σp=7.7 MPa，屬于中低應(yīng)力場區(qū)。

圖9 巷道圍巖強度測試曲線Fig.9 Strength test curve of roadway surrounding rock

圖10 巷道支護布置圖Fig.10 Roadway support layout

3.2 巷道支護參數(shù)

根據(jù)前述頂板結(jié)構(gòu)類型劃分標準，該巷道頂板為軟弱型層狀頂板巷道。對于該類頂板巷道，在保證錨桿(索)錨固力的前提下，一方面要提高錨桿(索)的初始預緊力，充分發(fā)揮錨桿支護對巖層的垂向離層和水平錯動的抑制作用；另一方面要采用大護表構(gòu)件，充分發(fā)揮預應(yīng)力場在軟弱復合巖層的擴散效果。

綜合以上原則，并考慮二次動壓影響，巷道支護形式為高預應(yīng)力錨網(wǎng)帶支護。錨桿采用樹脂加長錨固，采用一支雙速樹脂錨固劑MSCK2330+Z2350，錨固長度為1 100 mm，錨桿預緊扭矩≥300 N·m，不超過500 N·m。錨索索體為Ф17.8 mm、1×7股高強度低松弛預應(yīng)力鋼絞線，長度6 200 mm，采用一支雙速樹脂錨固劑MSCK2340+Z2380，錨固長度為1 360 mm，初張拉至230 kN，損失后不低于180 kN。巷道頂板采用W鋼帶+菱形金屬網(wǎng)護頂，巷幫采用W剛護板+菱形金屬網(wǎng)護幫。巷道具體支護參數(shù)如圖10所示。

3.3 礦壓觀測

在巷道掘進和工作面回采期間，布置礦壓監(jiān)測測站，監(jiān)測移、錨桿(索)受力和巷道表面位。 監(jiān)測結(jié)果顯示，掘進期間回采期間巷道頂板最大下沉量18 mm，巷幫最大位移量為15 mm。 大部分錨桿受力在30～55 kN之間，頂板錨索平均受力140～200 kN，頂板離層量在2～5 mm之間，均在允許范圍內(nèi)，巷道控制效果良好(圖11)。

圖11 巷道位移量Fig.11 Displacement of roadway

4 結(jié) 論

1) 通過大范圍頂板原位強度測試和結(jié)構(gòu)窺視，將晉能集團陽泉礦區(qū)主采煤層巷道頂板類型分為軟弱型、軟硬相間型、下硬上軟型和硬軟相間型。

2) 數(shù)值模擬結(jié)果顯示，無論是單一巖層還是復合巖層，錨桿預應(yīng)力整體上呈“兩拉一壓”的分布特征；單一巖層中，軟巖在托板處形成的壓應(yīng)力峰值要高于硬巖；在復合巖層中，層理面是阻礙錨桿支護應(yīng)力傳遞的主要因素，層里面越多，形成的有效壓應(yīng)力范圍越小。

3) 對于復合頂板巷道錨固支護來說，施加高預緊力和使用大護表構(gòu)件，可以有效擴大錨桿壓應(yīng)力區(qū)范圍；另外通過調(diào)整錨固長度或錨桿長度，使層理面位于壓應(yīng)力較高的區(qū)域，可以有效避免巷道頂板垂向離層和水平錯動。

4) 以軟弱型頂板巷道為例，開展復合頂板巷道圍巖錨固支護優(yōu)化現(xiàn)場實踐，采用高預應(yīng)力錨桿(索)配合W剛護板等大護表構(gòu)件支護，監(jiān)測區(qū)域巷道位移和錨桿(索)受力均在允許范圍內(nèi)，驗證了錨固技術(shù)的可行性。