厚煤層沿底巷道頂板變形機理和加固技術研究

李溪枝

(山西煤炭運銷集團忻州有限公司，山西 忻州 034000)

晉能王家嶺煤業位于河東煤田河保偏礦區，現主采8#煤層，煤層平均厚度7.5 m，采用綜采放頂煤工藝開采，埋深450～500 m。王家嶺煤業回采面均采用“兩進一回”布置，上一工作面輔運順槽留下復用，作為下一工作面回風順槽，該順槽為托頂煤強烈動壓巷道，支護難度較大。我國學者對托頂煤強烈動壓巷道進行了大量研究，康紅普等[1]針對二次動壓強烈影響巷道，提出高預應力、長度較短的全斷面強力錨索支護系統，支護狀況本質好轉。王軍朝等[2]針對松軟厚煤層留頂煤動壓巷道，提出高預應力全斷面錨索支護的綜合支護技術并開發了高強度、大面積護表構件，解決了松軟厚煤層留頂煤動壓巷道的支護難題。王浩等[3]應用高水速凝材料對松軟頂煤預注漿，對巷道兩幫煤體滯后注漿，采用錨桿、錨索聯合支護的方式控制了松軟頂煤動壓巷道圍巖變形。這些研究很好地指導了工程實踐，在具體工程應用中發揮了重要作用[4]。但托頂煤強烈動壓巷道支護仍是煤礦生產中的技術難題，頂煤厚度、動壓影響程度、支護方式等都直接影響其支護效果。

王家嶺煤業首采面復用巷道即出現大變形，從第二個回采面開始，引進水力壓裂卸壓技術，通過對采空區邊緣頂板進行水力壓裂，使采空區邊緣頂板垮落更充分，從而減小側向支承壓力分布，降低復用巷道動壓影響。由于地質構造、工作面停留時間較長等原因，局部巷段仍出現明顯變形。本文以18105工作面輔運順槽900～1 100 m變形段為例，通過礦壓監測數據分析頂煤頂板和巷道變形特點；采用數值模擬分析頂煤厚度、動壓影響程度和不同支護設計等因素對頂煤頂板變形的影響，研究托頂煤動壓巷道頂煤頂板變形機理；根據變形特點，結合高預應力錨桿支護技術，提出動壓巷道加固設計并在井下實施。實踐表明，加固效果良好，保證了特殊巷段頂板安全。

1 工程概況

1.1 生產條件

18105工作面2019年初開始回采，采用“兩進一回”布置，順槽均沿底板掘進，輔運順槽留下作為18107工作面回風順槽，輔運順槽和膠帶順槽間凈煤柱為30 m。為減小動壓對輔運順槽的影響，在膠帶順槽煤柱側幫進行水力壓裂卸壓。圖1為18105工作面平面布置圖。

圖1 18105工作面平面布置圖

1.2 地質條件

18105工作面開采8#煤層，工作面長1 986.6 m，寬222.4 m，煤厚6.50～8.60 m，煤層平均傾角6°，采煤方法為綜采放頂煤，采高3.5 m，放高4 m左右。煤層絕大部分含2～3層夾矸。煤層上方偽頂厚0～0.5 m，為炭質泥巖；偽頂上方為泥巖直接頂，厚度1～2 m。直接頂上方為厚層完整砂巖老頂，厚度超過20 m。埋深450～500 m。

圍巖強度測試表明，頂煤抗壓強度平均值為18.22 MPa，直接頂抗壓強度平均值為43.81 MPa，老頂抗壓強度平均值為54.82 MPa，幫部煤層抗壓強度為17.63 MPa。采用水壓致裂法測試水平應力，最大水平主應力12.70 MPa，最小水平主應力7.02 MPa，垂直主應力10.11 MPa，最大水平主應力方向為北偏西35.7°。

1.3 18105工作面輔運順槽原有支護

18107工作面回風順槽沿煤層底板掘進，托頂煤厚度3.5 m左右，掘進寬度5.5 m，掘進高度4.2 m(鋪底0.2 m)，掘進面積23.1 m2，采用錨桿錨索支護。

原有支護參數為：頂板錨桿采用左旋螺紋鋼錨桿，規格為Φ22 mm×2 400 mm，間排距800 mm×800 mm，矩形布置，每排7根錨桿。配套150 mm×150 mm×10 mm拱形托板。 扭矩不小于250 N·m。采用鋼筋梯梁與頂錨桿配套使用。頂錨索采用1×19股Φ22 mm×8 300 mm高強度錨索。間排距1 200 mm×1 600 mm，每排4根，配套300 mm×300 mm×20 mm拱形托板，錨索張拉預緊力不低于200 kN。 頂錨索配套使用Ω鋼帶。 采用鋼筋網護頂。兩幫錨桿采用左旋螺紋鋼錨桿，規格為Φ20 mm×2 400 mm，間排距800 mm×800 mm，矩形布置，每幫5根錨桿，幫部第一支錨桿距頂板300 mm。配套150 mm×150 mm×10 mm拱形托板。扭矩不小于200 N·m。采用鋼筋網護幫。幫錨索采用1×19股Φ22 mm×6 300 mm高強度錨索，僅布置在非回采幫側，錨索排距1 600 mm，每排1根，距底板2 200 mm，配套300 mm×300 mm×20 mm拱形托板，錨索張拉預緊力不低于200 kN。原有支護斷面見圖2。

圖2 18105輔運支護斷面圖

2 巷道變形和支護受力特征

回采過程中，18105工作面輔運900～1 100 m巷段出現底板翹起、兩幫移近和頂板下沉的現象，采用在線系統進行礦壓監測，監測對象為頂板離層、中部錨桿受力和中部錨索離層。

2.1 頂煤頂板變形特征

頂煤頂板變形監測主要為頂板離層監測，頂板離層主要自2019年12月底開始(18105回采面推過200 m)，至2020年3月底穩定(18105回采面推過600 m)。深部(孔口至8 m)離層值較大，最大離層值140 mm；淺部(孔口至2.3 m)離層值較小，最大離層值30 mm；說明離層主要發生在2.3～8.0 m之間的煤層和巖層。900～1 100 m巷段共安裝3個頂板離層儀，在采動階段離層變化曲線見圖3。

圖3 變形段頂板離層變化曲線

2.2 支護構件受力特征

錨桿錨索受力變化趨勢和頂板離層一致，頂板中部錨桿受力較為平穩，數值穩定在100 kN左右，錨索受力值增幅較大，由150～200 kN增加至350～450 kN，個別錨索甚至超過測力計量程。900～1 100 m巷段共安裝3組頂板錨桿錨索測力計，在采動階段錨桿錨索受力變化曲線見圖4。

圖4 變形段頂板錨桿錨索受力變化曲線

2.3 頂幫變形窺視

2020年3月底，在18105工作面輔運順槽變形段進行了頂幫圍巖鉆孔窺視(圖5和圖6)。由圖5和圖6可知，頂板離層破碎主要出現在煤層范圍內，但鉆孔孔壁并未完全破碎，說明原有頂板支護能發揮較好作用；幫部煤體破碎主要發生在孔口至3.5 m范圍內，僅有錨桿支護難以有效控制圍巖變形，幫錨索能起到明顯約束變形作用。

把握電商及三四線市場的增長機會：電商市場的增速雖然已出現放緩的趨勢，但是相比于線下市場，增速依然十分客觀。而電商市場也向我們展示了它產品升級的特有趨勢。雖然均價與線上市場相比仍有一段差距，但是線上銷售的高端產品的占比在逐步提升，此外線上產品的配置也在提升，這意味著線上消費者的需求呈現低價≠低質的固有特點。同時隨著電商對一二線市場的沖擊的擴大，以及一二線市場需求的逐漸飽和，越來越多的企業把戰略中心向三四線市場轉移，對三四線市場的布局將在2019年達到一個新的時期。

圖5 變形段頂板窺視圖

圖6 變形段煤柱側幫孔窺視圖

3 頂煤頂板變形機理分析

3.1 數值模擬方案

根據晉能王家嶺煤業18105工作面地質條件，利用FLAC3D數值計算平臺，建立數值計算模型，綜合考慮各方面影響因素，將模型劃分為6層，為研究托頂煤動壓巷道頂煤頂板變形情況和支護構件受力情況，對模型進行簡化：模型尺寸為350 m×100 m×50 m，數值模型劃分為60 900個單元，66 780個節點。模型四周邊界限定水平方向位移，模型底部限定豎直方向位移，模型頂部施加等效于覆巖重力的均布載荷2.5×104×500=12.5 MPa，數值計算模型圖如圖7所示。圍巖力學參數見表1。

圖7 數值計算模型圖

表1 圍巖力學參數表

在建立數值計算模型時，對重點研究部位(18105工作面輔運順槽、18105工作面膠帶順槽靠近工作面一側)附近的網格進行適當加密處理，每個網格水平方向長度取1～2 m，垂直方向長度取1 m，其他非重點研究部位每個網格水平方向長度取5 m，垂直方向長度取1～1.5 m。其中，對頂煤厚度這個影響因素研究時，只需調整直接頂網格和老頂網格的總厚度，而整個模型的總尺寸保持不變。

以實際地質條件和原有支護為基本模型，主要開展以下4種工況數值模擬分析。工況一：模擬實際條件下，分析18105工作面輔運順槽在18105工作面回采前和回采后滯后400 m時頂板離層和頂板錨桿錨索受力情況；工況二：模擬頂煤厚度分別為1 m、2 m、6 m和10 m時，分析不同頂煤厚度對頂板離層和頂板錨桿錨索受力的影響；工況三：模擬膠帶順槽側卸壓和不卸壓時，分析不同動壓影響程度對頂板離層和頂板錨桿錨索受力的影響；工況四：模擬頂板采用錨桿錨索支護和采用全錨索支護(錨索規格不變，間排距800 mm)時，分析不同支護方式對頂板離層和頂板錨桿錨索受力的影響。

位移監測部分：對于4種工況，在18105工作面輔運順槽頂板正上方沿豎直方向每隔1 m布置1個位移測點，共布置10個測點。應力監測部分：對于工況一，在18105工作面輔運順槽頂板中部沿豎直方向向上每隔1 m布置1個應力測點，共布置10個測點；在順槽左右兩幫中部位置分別沿水平方向向煤柱內每隔1 m布置1個應力測點，共布置10個測點。錨桿錨索受力監測：由模擬軟件內部相應的命令流自動監測和讀取相關數值。

3.2 數值模擬結果分析

工況一時，模擬實際條件下，18105工作面回采后，其輔運順槽頂板離層和頂板錨桿錨索受力情況見表2和表3。由表2和表3可知，18105工作面回采后，其輔運順槽錨索受力和頂板深部離層大幅增加，錨桿受力和淺部離層增加不明顯，變化規律和監測數據一致。

表2 工況一中部錨桿、錨索軸力最大值

表3 工況一頂板離層值

工況二時，模擬頂煤厚度分別為1 m、2 m、6 m和10 m時，18105工作面回采后，其輔運順槽頂板離層和頂板錨桿錨索受力情況見表4和表5。由表4和表5可知，頂煤厚度小于2 m時，頂煤厚度與頂板離層和錨桿錨索受力之間相關性不明顯，頂煤變厚大于6 m時，18105工作面回采后，其輔運順槽錨索受力和頂板深部離層大幅增加。由此可見，頂煤厚度對頂板離層和錨桿錨索受力有一定影響。

表4 工況二中部錨桿、錨索軸力最大值

表5 工況二頂板離層值統計表

表6 工況三中部錨桿、錨索軸力最大值

表7 工況三頂板離層值

工況四時，模擬頂板采用錨桿錨索支護和采用全錨索支護(錨索規格不變，間排距800 mm)時，18105工作面回采后，其輔運順槽頂板離層和頂板錨桿錨索受力不同，見表8和表9。由表8和表9可知，全錨索支護和錨桿錨索支護相比，深部離層值和錨索受力都有較大幅度降低，由此可見，采用全錨索支護能更好地約束頂煤的變形離層。

表8 工況四中部錨桿、錨索軸力最大值

表9 工況四頂板離層值

分析上述數值模擬結果，數值計算結果和現場實測較為類似，都是以錨索受力明顯和深部離層增加為主；頂煤厚度與錨索受力和深部離層直接相關；側向卸壓有利于巷道維護；加強支護采用全錨索支護能有效減小頂板錨索受力和深部離層。

3.3 頂煤頂板變形機理分析

強烈動壓巷道，掘進完成后至工作面回采前要經歷強烈動壓影響，水平應力和垂直應力都明顯增加，根據數值模擬，18105工作面回采前18105工作面輔運順槽的水平應力最大值和垂直應力最大值分別為16.9 MPa和16.7 MPa；18105工作面回采后18105工作面輔運順槽的水平應力最大值和垂直應力最大值分別為35 MPa和20 MPa，高應力差導致頂幫圍巖出現破壞。對托頂煤巷道而言，有其獨特的變形規律，在動壓作用下，頂煤頂板層位不同，應力狀態也不同，抗剪強度相差較大，變形不協調不一致。直接頂抗壓強度平均值為43.81 MPa，煤層抗壓強度為17.63 MPa。頂煤強度偏低，應力集中程度更高，更容易出現離層破壞，頂板強度較高，相對保持完整。所以，離層等變形破壞主要發生在煤層內，巖層變形破壞較少。

1) 頂煤厚度、應力集中程度和支護方式都對頂煤頂板的變形有影響；在一定范圍內，頂煤厚度增加，深部離層和錨索受力增加；應力集中程度越大、動壓影響越明顯，深部離層和錨索受力增加；采用全錨索支護，能有效減小離層和錨索受力，改善支護效果。

2) 托頂煤強烈動壓巷道，頂煤支護情況直接決定巷道支護效果，在巷道支護設計時應充分考慮頂板支護強度和剛度。

4 18105工作面輔運順槽加固設計

根據頂煤頂板離層破壞情況，提出18105工作面輔運加固思路，通過補打高強錨索并施加高預緊力，約束頂煤變形，在頂煤頂板間形成強有力的連接，讓兩者共同承載。

4.1 提出設計

在原支護兩排錨索中間，補打兩根錨索。考慮到原有支護中有錨索破斷現象，補打錨索采用1×19股Φ28.4 mm×8 300 mm錨索。 間排距1 600 mm×2 400 mm，每排2根，配套300 mm×300 mm×20 mm拱形托板，錨索張拉預緊力不低于250 kN。頂板錨索加固布置如圖8所示。

圖8 18105工作面輔運頂板錨索加固布置圖

兩幫同樣采用補打錨索加固，考慮到幫部錨固力，采用采用1×7股Φ17.8 mm×6 300 mm錨索。間排距1 600 mm×1 600 mm，每排2根，配套300 mm×300 mm×20 mm拱形托板，錨索張拉預緊力不低于150 kN。 幫部錨索加固布置如圖9所示。

圖9 18105工作面輔運幫部錨索加固布置圖

4.2 加固效果

2020年3月底開始加固施工，頂板和兩幫施工錨索，底板僅做起底處理。對新補打錨索受力、頂底移近量和兩幫移近量進行了監測。新補打錨索受力如圖10所示，表面位移如圖11所示。監測結果表明，頂板補打錨索后，頂板錨索受力較為穩定，在預緊力的基礎上稍有增加，一個月左右基本穩定；巷道表面位移變化規律基本一致，移近量60 mm左右，加固后巷道圍巖變形得到有效控制。加固兩幫后，底板不再鼓起。

圖10 頂板補打錨索受力曲線

圖11 加固后表面位移監測曲線

5 結 論

1) 托頂煤強烈動壓巷道由于頂煤和頂板在應力狀態、強度、變形協調等方面差異明顯，導致頂煤和頂板有截然不同的變形特征。王家嶺煤業18105工作面輔運現場監測表明，頂煤較厚時，深部離層大于淺部離層，錨索受力增加幅度明顯大于錨桿。

2) 采用數值模擬分析了頂煤厚度、應力集中程度和支護方式等因素對頂煤頂板變形影響情況進行了分析，在一定范圍內，頂煤厚度增加，深部離層和錨索受力增加；應力集中程度越大、動壓影響越明顯，深部離層和錨索受力增加；采用全錨索支護，能有效減小離層和錨索受力，改善支護效果。

3) 針對王家嶺煤業18105工作面輔運托頂煤強烈動壓巷道變形，提出針對性的設計，在頂板和兩幫補打錨索，礦壓監測結果表明，加固效果較好。