8605 運輸巷復合頂板巷道穩(wěn)定性控制研究

楊大炳

（山西大同煤礦集團有限公司煤峪口礦，山西 大同 037003）

1 工程概況

煤峪口礦8605 工作面開采14-2 號煤層，工作面位于礦井900 m 水平的406 盤區(qū)，工作面地面標高1 284.3～1 319.7 m，井下標高900～926 m。8605工作面北部為已回采的8603 工作面，南部為已回采的8607 工作面，西部為408 東部盤區(qū)巷，東部為404盤區(qū)巷，如圖1。8605工作面開采煤層均厚3.5 m，平均傾角為2°，煤質(zhì)較硬且富含節(jié)理。煤層偽頂為灰色細砂巖與粉砂巖互層，平均厚度2.54 m，以石英、長石為主，鈣質(zhì)膠結(jié)；直接頂為灰色粉細砂巖，平均厚度0.4 m，與偽頂性質(zhì)相似但與上部粘結(jié)較弱；基本頂灰白色粗砂巖，平均厚度3.08 m，膠結(jié)堅實，底部有部分煤線。

8605 工作面平均埋深達450 m，地應力水平較高，巷道容易在較大的水平應力影響下出現(xiàn)長時間大范圍的變形，不容易控制。頂板偽頂與直接頂?shù)暮穸仍? m 左右，性質(zhì)相似，但直接頂與上方基本頂之間的粘結(jié)性較差，巖層結(jié)構(gòu)較破碎，力學強度不能得到保證，容易和上層巖層出現(xiàn)離層。受8603和8607 已回采完工作面的殘余支承應力影響，巷道圍巖應力環(huán)境較差。因此，研究在8605 工作面復合頂板條件下巷道穩(wěn)定性的控制技術顯得尤為重要。

圖1 8605 工作面井下位置布置圖

2 復合頂板巷道變形破壞控制分析

2.1 復合頂板的變形破壞機理

復合頂板狀態(tài)下，主要受頂部巖層結(jié)構(gòu)體、結(jié)構(gòu)面和其相互組合關系影響，其中尤其以組合面的作用最為突出。結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、性質(zhì)和發(fā)育密集程度都對巖體變形產(chǎn)生巨大影響，巖體受作用力的方向與產(chǎn)狀方向具有明顯相關性，結(jié)構(gòu)面的張開、閉合、充填等程度與巖體的強度密切相關，巖體中結(jié)構(gòu)面越密集，破碎程度就越大[1-2]。

8605 工作面的偽頂與直接頂作為復合頂板狀態(tài)，在外載荷的作用下，會出現(xiàn)完整狀態(tài)和松散軟巖狀態(tài)兩種運動形式，其移動破壞形式可以大致劃分為以下三類情況[3-5]：第一類是沿分層面的相對滑動階段。巷道開挖后頂板巖層承載上覆巖層重量，巷道圍巖出現(xiàn)變形破壞，復合頂板分層間的應力滿足發(fā)生剪切破壞的條件，產(chǎn)生層間滑動現(xiàn)象，造成巖層破碎程度進一步升高。復合頂板滑動的范圍與巷道斷面尺寸相關，分層厚度較大的情況下，復合頂板出現(xiàn)垂直張開的裂隙，當分層厚度較小的情況下，復合頂板下層位巖層會出現(xiàn)脫開而離層趨勢。第二類是分層之間的離層階段。復合頂板分層出現(xiàn)相對滑動之后，頂板應力狀態(tài)出現(xiàn)變化，巖層的變形繼續(xù)發(fā)展，表現(xiàn)為頂板下沉程度進一步加大，而復合頂板不同性質(zhì)巖層下降速度不同，出現(xiàn)離層的數(shù)量及層數(shù)也不斷增加。第三類是不斷彎曲折斷階段。當復合頂板懸空跨度達到極限跨距時，就會出現(xiàn)張拉破斷，破斷出現(xiàn)后，向上逐漸垮落。

2.2 復合頂板綜合治理措施分析

由于8605 工作面復合頂板控制的難度較大，可以采用階段性強化支護原理進行控制，主要分為造殼成梁階段、加強梁階段、形成“類剛性梁”階段。基于此，可以采用“幫頂同治”方式進行圍巖強化工作。對8605 工作面，需要同時加強巷幫和頂板的協(xié)同強化來提高圍巖的整體承載能力，通過金屬網(wǎng)、鋼帶、錨桿等材料先將巷道圍巖淺部位移形成支護結(jié)構(gòu)，減少裂隙發(fā)育和巖體膨脹，之后通過錨索在淺部支護的基礎上錨固巷道深部巖層，相當于形成頂板復合巖層的加強梁結(jié)構(gòu)，形成更大承載力的錨固體。“類鋼性梁”結(jié)構(gòu)形成之后，頂板承載能力大大加強，巷道兩幫集中應力和破壞程度進一步減弱，另一方面“梁”的厚度大大增加，在垂直應力作用下不易產(chǎn)生撓曲破壞，同時存在的水平應力只會使得頂板產(chǎn)生較小的壓縮變形和裂隙發(fā)育，之后再對巷幫圍巖進行錨桿加固處理，形成完整的“幫頂同治”的控制效果。

3 8605 工作面運輸巷圍巖控制技術

3.1 錨桿索支護控制方案

根據(jù)對復合頂板巷道變形破壞特征的分析，在8605 工作面運輸巷采用錨網(wǎng)索進行巷道圍巖控制。8605 工作面運輸巷斷面為5200 mm×3400 mm，采用錨網(wǎng)+W 鋼帶+錨索支護。頂錨桿采用規(guī)格為Ф20 mm×3000 mm 的螺紋鋼錨桿，桿體間排距為800 mm×800 mm，靠近巷肩兩側(cè)桿體與豎直方向成15°向外布置，錨固劑采用MSCK2335、MSK2360 的樹脂錨固劑各一支，托盤規(guī)格為120 mm×120 mm×12 mm，桿體預緊力為400 N·m，頂部W型鋼帶型號為BHW-250-3.0，長度采用5.0 m，菱形網(wǎng)規(guī)格為2000 mm×1000 mm，網(wǎng)孔大小為50 mm×50 mm，相互搭接長度為100 mm。頂部錨索采用型號為Ф18.9 mm×7300 mm 的1860 鋼絞線，間排距為1600 mm×1200 mm，采用“一二”式的“三花”布置，樹脂錨固劑型號為1 支MSCK2335 和3支MSK2360，預緊力要大于350 kN，錨索采用平托盤，托盤尺寸為300 mm×300 mm×16 mm。幫錨桿采用桿體型號為Ф20 mm×3000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，最下方或最上方錨桿均和底部或頂部距離為100 mm，并與水平方向成15°分別向下或向上傾斜，W 型剛帶型號同樣采用BHW-250-3.0，長度采用3.2 m。8605 工作面運輸巷支護方案的剖面圖和俯視圖如圖2。

3.2 巷道控制效果分析

在8605 工作面運輸巷掘進和回采期間采用“十字布點法”監(jiān)測巷道表面位移變化情況，巷道布置測站間距為30 m，共布置11 個測站，監(jiān)測周期為150 d，監(jiān)測結(jié)果見表1。監(jiān)測結(jié)果顯示，巷道變形最大位置在7 號測站，頂板下沉量達73 mm，兩幫移近量達147 mm，變形最小位置為11 號測站，最小值分別為38 mm 和52 mm。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果的趨勢可知，8605 巷道頂板穩(wěn)定時間在20 d 左右，兩幫穩(wěn)定時間在25 d 左右，之后無論是頂?shù)装逡平窟€是兩幫移近量都未出現(xiàn)急劇上升的趨勢，說明此時巷道完整性正逐步得到保證，“幫頂同治”的效果得到很好驗證。另外，從巷道錨桿索受力監(jiān)測及表面完整性觀察中，錨桿索未出現(xiàn)拉斷或失效情況，鋼帶也未出現(xiàn)撕裂狀況，菱形網(wǎng)規(guī)格保持完好，頂板破碎程度不明顯，巷道控制結(jié)果減少了二次維護費用，降低了工人勞動強度，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)。

圖2 8605 工作面運輸巷支護斷面

表1 兩幫位移觀測結(jié)果匯總表

4 結(jié)論

8605 工作面受臨近采空區(qū)殘余支承應力影響較大，工作面巷道頂板呈現(xiàn)多層復合頂板狀態(tài)，受復合頂板結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀性質(zhì)影響，容易出現(xiàn)拉伸破斷，造成巷道圍巖整體失穩(wěn)。基于此，在“幫頂同治”的治理思路下，對復合頂板和巷幫圍巖進行協(xié)同強化處理，采用錨網(wǎng)索+鋼帶方式進行圍巖控制，實踐控制效果表明巷道圍巖變形可控，錨桿索受力穩(wěn)定，勞動強度降低而經(jīng)濟效益增加，能夠滿足礦井安全高效生產(chǎn)的要求。