淺埋特厚煤層巷道頂板錨索支護參數優化

石花軍,張東華,鄭 哲,張玉江

(1.國家能源投資集團 國神集團上榆泉煤礦,山西 河曲 036500;2.太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024)

千萬噸級礦井的建設不僅使單工作面的生產能力提高,同時增加了煤礦生產的安全性[1]。很多千萬噸級別的礦井都是開采特厚煤層且埋深較淺,此類巷道的順槽頂板錨索支護是目前的一個技術難點。例如,塔山煤礦2005年發生一起頂板事故,2014年寺河煤礦發生頂板事故,2019年6月大運華盛莊旺煤業有限公司發生頂板事故。目前尚無行業公認且權威的錨索支護方式,如何安全高效且經濟合理地做好順槽頂板的錨索支護將成為重要研究方向。

國內外許多學者在煤礦的錨索支護方面進行了大量研究?？导t普[2-3]對錨索支護理論進行了分析,并對小孔徑錨索預應力損失影響因素進行了實驗研究;何滿潮等[4-5]研究了靜力拉伸下錨索的應變特征,并研究了恒阻大變形錨桿力學特性及其工程應用;董志宏等[6]分析了錨索的時效受力特征,得出了巖體蠕變、錨索初始張拉力、施工與應力不均衡是錨索受力時效性的主要影響因素;田計宏[7]研究了大斷面煤層的破壞特征及控制技術;李海燕等[8]研究了某新型高預應力錨索及錨注聯合支護;孟雷[9]、田臣等[10]、柳軍濤等[11]對礦山的錨索支護進行了具體的研究。錨索支護通常是和錨桿支護聯合起來進行應用和研究,錨索的作用通常是作為一個預應力,在巷道頂板沉陷時起到懸吊作用,但很少有學者專門對淺埋深厚煤層的順槽頂板錨索支護進行專項研究。因此,通過實驗室測試、工程概況調查、頂板窺視、錨索受力分析和頂板破壞機理總結，對淺埋深特厚煤層條件下的頂板順槽錨索支護進行研究是非常重要的,可為類似礦井(淺埋深特厚煤層)順槽頂板錨索支護提供依據和參考。

1 工程條件分析

1.1 井田地質概況

以上榆泉煤礦1003工作面主運輸順槽為研究對象。該井田上覆松散層厚度38.98～145.11 m,平均96.03 m;上覆基巖厚度67.29～108.15 m,平均85.94 m,屬于厚表土、薄基巖的淺埋深煤層。

10號煤層的頂板以砂質泥巖為主,含有泥巖和砂巖,為較堅硬—堅硬巖,屬中等—難冒落的堅硬頂板。厚度為4.5～18.8 m,平均11.5 m。10號煤層的頂板上面是9號煤層,9號煤層平均厚度2.82 m,平均傾角3°,現已開采完。10號煤層全區賦存,厚度5.85～12.52 m,平均傾角3°,屬于特厚煤層。

1.2 頂板和煤的物理力學參數測試

在1003工作面的主運順槽對10號煤層的頂板和10號煤進行取樣,10號煤部分實驗測試標準試件見圖1。在室內做抗壓、抗剪、抗拉強度測試,有效實驗的測試結果如表1所示。從表1可以看出,10號煤層的平均抗壓強度是12.3 MPa,堅硬程度屬于中軟質巖中的軟巖；內摩擦角比較小,僅有31.4°。直接頂的砂質泥巖屬于中硬巖,平均抗壓強度達45.3 MPa,堅硬程度屬于硬質巖中的較堅硬巖；內摩擦角比較小,僅有40.6°。

圖1 10號煤實驗測試標準試件Fig.1 Standard test specimens of No.10 coal seam

表1 10號煤及頂板的物理力學參數測試結果Table 1 Testing results of physical and mechanical parameters of No. 10 coal seam and roof

1.3 工程概況

順槽支護采用矩形巷道,長5.4 m,高3.4 m。錨索支護為每排1根錨索,排距2 000 mm,錨索距幫2 200 mm,第一根錨索距正幫2 200 mm,下一根錨索距副幫2 200 mm,再下一根錨索距正幫2 200 mm,以此循環,左右交叉施工,采用“左右交叉邁步式”布置,每根錨索替代一根錨桿。錨索尺寸為Φ17.8 mm×8 000 mm,錨固力大于等于140 kN；樹脂藥卷為3卷CK2350,錨固端長度不少于1 500 mm,外露長度為150～250 mm,端頭錨固,每排1根錨索。錨索托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm。

現有的順槽頂板支護在短時間內巷道變形極少，隨著時間的推移巷肩處的煤體逐漸變得較為破碎,巷肩處存在片幫現象。長時間后偶爾發生順槽頂板整體沉降(如圖2所示)，嚴重時沉降能達到1 m,個別地段沉降能達到2 m,嚴重阻礙順槽無軌膠輪車的通行。上述支護效果說明錨索對順槽圍巖變形的控制效果較差。

圖2 順槽煤層頂板整體沉降Fig.2 Overall roof subsidence of coal seam

2 頂板窺視

2.1 窺視概況

2018年10月采用CXK12礦用鉆孔成像儀對1003工作面的主運順槽進行煤層頂板窺視。選用Φ24 mm的小直徑鉆頭,窺視孔位置參數如表2所示。共窺視了6個孔,鉆孔直徑為31 mm,6個孔的鉆孔深度為5.5～8.7 m，6個鉆孔位置的煤層厚度從7.1 m到11.9 m不等。200 m距離煤層厚度變化最大的是5號和6號鉆孔,相差3.3 m,200 m距離煤層厚度變化最小的是4號和5號鉆孔,相差0.9 m,煤層的厚度變化不大。

表2 I031003工作面主運輸順槽窺視孔參數Table 2 Peeping borehole parameters of main transportation gateway of I031003 working face

2.2 窺視結果

各個鉆孔的窺視有相似性,以2號鉆孔為例。2號鉆孔的窺視圖如圖3所示。

(a) 距孔口0.7 m

圖3中每個網格的距離是5 cm。從圖3(a)可以看出,煤層無水平裂隙,垂直方向煤層有不明顯的連續裂縫,此處煤層存在整體垮落的風險；煤層存在擠壓現象,原因是此處的煤受到錨桿預應力的作用；煤層的完整性較好,說明此處的錨桿支護起到了作用。從圖3(b)可以看出,此處距離頂板巖層1.3 m,無水平裂縫,煤層具有多條明顯的連續裂縫,裂縫寬度達5 mm,說明此處受到的垂直方向剪應力較大,且此處煤層存在整體垮落的風險,原因是受到錨索錨固端力的影響。圖3(c)所處的位置距孔口7.8 m,更接近10號煤的頂板,豎直方向上的裂縫比圖3(b)更深更寬,此處煤層存在整體垮落的風險,垂直方向受到較大的剪應力,且有一個厚度約20 mm的夾層。圖3(d)所示位置距孔口8.5 m,也就是10號煤層和頂板交界的地方,此處煤層完整性較好,未見明顯的垂直裂隙,可見水平方向的層理,但水平方向上無明顯的裂隙。

圖3(a)—圖3(c)的位置為距孔口0.7～7.8 m,這么長的距離范圍內均可見垂直裂隙,說明頂板煤層具有整體垮落的風險。圖3(d)中煤層在垂直方向均未見明顯的裂隙,水平方向僅見正常的層理面,說明錨索錨固在煤層中是可行的,起到了應有的懸吊作用。

3 錨索受力分析及頂板破壞機理

3.1 理論計算巷道圍巖破壞范圍

現有的錨桿(索)支護理論主要有懸吊理論、組合梁理論、加固拱理論、最大水平應力理論、圍巖松動圈理論和圍巖強度強化理論。根據頂板窺視結果可知,錨索應采用懸吊理論,把整個免壓拱高度范圍內的煤層重量全部承擔起來。上榆泉順槽煤層平均抗壓強度為12.3 MPa,巷道的兩幫冒落極少,屬于兩幫穩定巷道。故按照普氏理論中的巷道兩幫穩定情況進行計算,免壓拱高的計算公式為:

(1)

式中:b為順槽免壓拱高度,m;a為免壓拱的半跨距,上榆泉的順槽寬度是5.4 m,故取2.7 m;f為煤層的普氏系數,上榆泉煤層的平均抗壓強度是12.3 MPa,故f=1.23。

計算結果為b=2.20 m。

3.2 巷道頂部單位長度的總載荷

錨索支護按照懸吊理論,錨索承載的受力范圍按照擴大后的頂板跨度和擴大后的免壓拱高度形成的矩形進行計算,對于不穩定的兩幫，考慮到錨桿已經支護住了,錨索承載的受力范圍就不考慮巷道兩幫的不穩定體,則礦用錨索設計的順槽單位寬度承載力計算公式為：

Qd=2×a×b×γ.

(2)

式中:Qd為巷道單位長度的總載荷,kN/m;γ為煤層的容重,取14.5 kN/m3。

計算結果為Qd=172.3 kN/m。

3.3 現錨索設計錨固力分析

考慮到煤層頂板向下滑動時需克服煤層的抗拉強度,煤層的平均抗拉強度為0.8 MPa,單位面積抗拉強度產生的力為800 kN/m2,免壓拱范圍內的煤層產生的抗拉強度抵抗力有3 520 kN/m,遠遠大于免壓拱范圍內煤層產生的巷道頂部載荷172.3 kN/m,故順槽初期形成時不需要錨索頂板也不會下沉,這和煤礦的實際情況一致。

事實上煤層是塑性體和彈性體的結合,導致煤層的受力不均且煤層的破壞是漸進的,當巷道壁上方煤層某一點的受力大于抗拉強度時發生破壞,隨著時間的推移破壞可能越來越快，也可能變形到一定程度后變形趨于穩定。

錨索的作用就是預防在最壞情況下,當免壓拱范圍內的煤體全部脫離煤壁時對其起到懸吊作用,平時則通過懸吊作用減少煤壁頂板煤層垂直方向的應力。上榆泉煤礦目前支護是每2排1根錨索,排距1 m,設計錨固力為140 kN,對巷道頂板的支撐載荷為70 kN/m,小于免壓拱產生的單位長度總載荷172.3 kN/m。

結合前述的工程概況和頂板窺視結果,順槽頂板在初期受到煤層抗拉強度的影響,變形量小，時間長后偶爾發生順槽頂板整體沉降，說明上面的理論計算是正確的。剛開始順槽形成時,煤體抗拉強度起作用導致變形極小，時間長后偶爾發生順槽頂板的整體沉降,說明工程實際上存在免壓層煤體全部脫離煤壁的可能性,窺視結果也證明了此類順槽存在頂板整體垮落的風險。

按最壞情況下免壓層煤體全部脫離煤壁時考慮,現有錨索支護強度70 kN/m,小于免壓拱產生的單位長度總載荷172.3 kN/m,故上榆泉煤礦順槽頂板錨索支護強度不夠。

3.4 頂板破壞機理

淺埋深特厚煤層的頂板破壞機理如下。

1)順槽頂板開挖形成初期,順槽煤壁頂板上的煤層受到錨桿壓力的作用形成一個整體，阻止煤層間的水平運動,同時錨桿的拉力也把近頂板的不穩定煤層牢牢固定在穩定煤層中,順槽煤壁頂板上的煤層受到煤層抗拉強度的影響,頂板變形量極小,巷道頂板穩定;

2)隨著時間的推移,順槽頂板受到頂板垂直壓力的影響,煤作為彈塑性體受力不均,導致順槽頂板煤層逐漸產生垂直方向的裂隙;

3)隨著時間的繼續增加,如無足夠的錨索懸吊力,裂隙逐漸擴展并貫通,直到發生頂板整體垮塌事故。

根據淺埋深特厚煤層的頂板破壞機理,支護此類頂板時錨索需按照懸吊理論,懸吊力大于煤層免壓拱的重量就能夠組織裂隙的擴展和貫通,上述錨索受力分析準確。

4 錨索支護參數優化

4.1 錨固力優化

頂板窺視圖(圖3)證明了此類順槽頂板煤層確實存在整體垮落的風險,錨索支護采用懸吊理論是正確的。故需加大錨索支護強度,錨索的設計承載力變為200 kN,考慮到錨索的抗拉強度足夠,故只增加一卷樹脂錨固劑CK2350錨固劑,錨固段長度變為2 m。

4.2 間排距優化

考慮到設計錨固力為200 kN,巷道單位長度的總載荷為172.3 kN/m,依據《礦用錨索》標準,將錨索支護變為每排2根錨索,錨索距幫各1.7 m,排距2 m,錨索規格為Φ17.8 mm×8 000 mm,優化后的錨索支護見圖4所示。根據優化后的間排距,單位寬度巷道的支撐強度為200 kN/m,大于等于巷道頂部單位長度載荷172.3 kN/m的要求。

(a) 斷面圖

5 結論

1)上榆泉煤礦頂板砂質泥巖平均抗壓強度達45.3 MPa,堅硬程度屬于硬質巖中的較堅硬巖;10號煤層的平均抗壓強度是12.3 MPa,堅硬程度屬于中軟質巖中的軟巖,平均抗拉強度是0.8 MPa。

2)根據順槽頂板窺視結果顯示,頂板煤層大部分范圍內具有垂直裂隙,說明頂板煤層具有整體垮落的風險。煤巖交界處無可見明顯的水平垂直裂縫,說明錨索錨固在煤層中是可行的,起到了應有的懸吊作用。

3)淺埋深特厚煤層順槽頂板破壞機理是頂板受到垂直壓力的影響而產生豎直裂隙,如無足夠的錨索懸吊力,裂隙逐漸擴展并貫通,直到發生頂板整體垮塌事故。

4)錨固劑增加一卷CK2350;錨索間距為2 m,每排2根,排距為2 m。