高應力大斷面巨厚泥巖滲水頂板煤巷梯次支護技術研究

汪 超，陳朋磊，劉歡歡

(1.河南能源化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600； 2.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

高應力大斷面巨厚泥巖頂板的支護一直是巷道支護的難題，頂板滲水給巷道支護也帶來諸多困難，泥巖滲水頂板巷道支護難度就更顯得尤為突出。國內學者對此進行大量的研究，文獻[1]對厚層泥巖頂板大斷面煤巷支護技術進行了應用研究，研究表明，巷道掘進期間圍巖變形小，控制效果好，結構整體穩定；文獻[2]研究了巨厚煤層頂板大斷面采動煤巷圍巖控制技術，利用差分軟件FLAC模擬研究巨厚頂煤條件下錨桿典型支護參數，得出巨厚煤層頂板大斷面試驗煤巷圍巖控制新方案，對類似條件工程的支護技術具有一定借鑒價值。鑒于此，車集煤礦2609運輸巷(膠帶巷)兩幫移近量大，錨桿錨索有被拉斷現象，巷道變形和底鼓并未停止，斷面收縮非常明顯，多數地段還要割底、架棚，嚴重影響了開拓延伸工程的正常進行。這不僅增大了支護費用和管理費用，而且嚴重影響了礦井生產及采區的正常接替。根據該巷道巨厚泥巖滲水頂板的變形特點，應用梯次支護原理，通過數值模擬，在高性能錨桿支護的基礎上，探索新的加強技術，解決深部煤巷支護難題，為車集煤礦深部順利開采創造條件，提供技術支撐；采用滲水段先導排頂板水，再安裝頂板錨索，注漿，解決滲水巨厚泥巖的支護技術難題，節約了支護成本，降低了巷道的返修率，提高了煤巷掘進速度。至2011年12月14日共掘進巷道570 m，施工過程中巷道經歷了多處斷層、滲水及破碎頂板區。礦壓監測數據表明，采用高預應力錨桿索為基礎的梯次支護技術進行巷道支護后，2609運輸巷維護狀況良好，保證了工作面安全生產，產生了顯著的經濟效益和社會效益。

1 巷道梯次支護技術原理

1.1 巨厚泥巖滲水頂板巷道梯次支護原理

(1)巨厚泥巖滲水頂板巷道梯次支護原理[3-6]。巷道梯次支護技術如圖1所示。

圖1 巷道梯次支護技術Fig.1 Tunnel cascade supporting technology

(2)“類剛性梁”結構生成[7-9]。梯次支護首先通過短錨桿錨固直接頂及其上方若干巖層形成組合梁巖體，再通過短錨索將回采巷道頂板上方較厚有微小變形的巖層與組合梁巖體錨固在一起，形成加強梁，再通過長錨索，將加強梁與其上方穩固巖層錨固，形成“類剛性梁”結構。所謂“類剛性梁”是指：通過高預拉力錨桿、錨索建立剛性梁頂板，當錨桿錨索的預拉力足夠大時，在巷道上方形成足夠厚、錨固范圍內離層足夠小的頂板結構。“類剛性梁”如圖2所示。

圖2 “類剛性梁”示意Fig.2 "Like rigid beam" schematic

1.2 梯次支護的力學機理

厚層復合頂板巷道圍巖梯次支護力學模型[10-12]如圖3所示。

圖3 梯次支護力學模型Fig.3 Mechanical model of cascade supporting

2 試驗巷道圍巖控制方案及參數設計

2.1 模型建立

2609運輸巷斷面形狀為矩形，斷面尺寸為4.5 m×2.5 m(假定為最小值)，數值模擬模型[13-16]如圖4所示。

2.2 2609運輸巷新支護方案模擬

2.2.1 錨桿參數的確定

根據礦方現在支護和巷道所處位置的實際情況，錨桿規格擬采取以下3種方案(表1)。全斷面錨桿支護，對3種不同規格的錨桿φ22 mm×(2.2、2.5、2.8 m)進行模擬比較，擇優選取支護效果較好的錨桿規格。不同錨桿長度下錨桿水平應力分布如圖5所示。從水平與垂直應力分布中可以看出，長2.5 m的錨桿與長2.8 m的錨桿效果差不多，從經濟的角度考慮，故采用長2.5 m的錨桿。

圖4 2609運輸巷模擬模型Fig.4 2609 down lane simulation model

表1 數值模擬比較方案Tab.1 Numerical simulation comparison scheme

圖5 不同錨桿長度下錨桿水平應力分布Fig.5 Horizontal stress distribution of anchor rod under different anchor rod length

2.2.2 錨索參數的確定

全斷面錨桿支護基礎上，采用錨索補強，對3種不同規格的錨索φ18.9 mm×(6.5、7.5、 8.5 m)進行模擬比較，擇優選取支護效果較好的錨索規格。不同錨索長度運輸巷道水平應力分布如圖6所示。

圖6 不同錨索長度運輸巷道水平應力分布Fig.6 Horizontal stress distribution of roadway under different anchor cable lengths

通過比較可以看出，施加錨索支護后與施加前巷道圍巖應力分布有明顯不同，主要表現在施加錨索支護后，剪應力明顯向巷道深部圍巖延伸、擴張，應力集中程度相對減小，在巷道圍巖深部巖體也承擔了淺部圍巖的支護荷載，從而減小了巷道的變形量。同時，巷道開挖后，圍巖強度由圍巖表面向深部逐漸增大到原巖強度，通過錨索作用，調動了巷道深部圍巖的強度，從而達到了對淺部圍巖的支護效果。3種錨索規格相比較，長7.5 m、8.5 m錨索較長6.5 m的效果要好，這是由于松動圈范圍較大，而長6.5 m錨索所處穩定巖層較短，故沒能充分調動深部圍巖強度，而另外兩種效果相差甚微，故從經濟的角度考慮的話，采用長7.5 m的錨索。不同規格錨索補強巷道圍巖位移量見表2。

表2 不同規格錨索補強巷道圍巖位移量Tab.2 Different specifications of anchor cables to reinforce the surrounding rock displacement of roadway

從水平與垂直應力分布圖中可以看出，頂板與兩幫應力集中有了很大的改善，應力集中向四周轉移，兩幫支護強度的進一步加強，應力集中繼續向深部轉移，集中也得到了分散，頂板與兩幫應力的擴散一定程度減小了底板的應力集中，但是由于底板沒采取任何措施，底鼓量還是很大。

從表2中可以看出，巷道頂板與兩幫采取補強措施以后，頂板與兩幫圍巖向巷道的擠壓流動得到進一步遏制，頂板與兩幫的補強，底鼓量有所減小，說明加強頂板與兩幫支護對底鼓可以起到一定的作用，但是由于底板未進行任何支護，底板位移趨勢還是很明顯。使用該方案后，圍巖移近量有所下降，說明使用該方案對圍巖的控制有效但不是太好。

綜上，根據模擬得出錨索選用規格為φ18.9 mm×7 500 mm的鋼絞線。

2.2.3 間排距的確定

以上錨桿錨索長度的確定都是在間排距800 mm×800 mm下進行模擬的，對間排距采取以下措施進行模擬：①錨索間排距不變，模擬時不與考慮；②錨桿長度以2.5 m進行模擬；③錨桿的間排距分別以800 mm×800 mm、700 mm×700 mm兩種尺寸進行模擬比較。

全斷面錨桿支護，對不同間排距支護800 mm×800 mm、700 mm×700 mm進行模擬比較，擇優選取支護效果較好的間排距。不同間排距運輸巷道水平應力分布如圖7所示。由圖7可以看出，全斷面采用700 mm×700 mm 間排距時，其錨桿對圍巖的支護效果要比間排距為800 mm×800 mm時好得多，應力集中向四周轉移。經過一段時間的變形積累，圍巖結構的平衡趨于極限狀態，以塑性變形為主，由于塑性區的發展，圍巖將會出現碎脹變形，出現結構失穩，但是間排距為700 mm×700 mm時，巷幫的變形程度要比800 mm×800 mm好很多，故采用間排距為700 mm×700 mm。

圖7 不同間排距運輸巷道水平應力分布Fig.7 Horizontal stress distribution of roadway under different row spacing

不同間排距支護運輸巷道圍巖位移量見表3。

表3 不同間排距支護運輸巷道圍巖位移量Tab.3 Displacement of surrounding rock of roadway supported by different spacing

從表3中可以看出，巷道圍巖采取小間排距支護以后，圍巖向巷道擠壓流動得到進一步的遏制，但是圍巖松動圈范圍較大，圍巖持續變形，圍巖補強以后，巷幫變形有所減小。使用該方案后，頂板移近量有所下降，說明使用該方案對圍巖的控制有效。但800 mm×800 mm時支護效果已基本滿足巷道維持到回采結束，所以不是在特殊地段無須用間排距700 mm×700 mm的支護方式。

綜上，根據模擬得出間排距應為800 mm×800 mm時較為合理。

2.2.4 錨桿(索)支護強度校驗

在巷道掘進期間，基于在長7.5 m錨索和長2.5 m錨桿支護下，巷道的變形量基本控制在了允許變形的范圍內，但2609工作面回采期間對巷道將產生二次采動影響，對巷道的支護強度就提出了更高的要求。長7.5 m錨索和長2.5 m錨桿支護強度是否能達到要求，仍需進一步驗證。通過比較可以看出，回采期間要比掘進期間圍巖應力大，主要表現在回采期間二次采動影響，剪應力向巷道圍巖延伸、擴張，加大了淺部圍巖的支護荷載，故巷道的變形量會增加，但增加量并不是很大，在允許的巷道變形量以內。考慮到經濟和實際支護效果之間的關系，認為采用長7.5 m錨索和長2.5 m錨桿支護完全可以達到支護、運輸和通風要求。

從圖8和不同時期巷道圍巖位移量(表4)中可以看出，掘進期間和回采期間巷道頂板與兩幫變形量都有不同程度的增加，頂板的變形量增加不大，說明頂部的支護強度已完全滿足了支護要求，兩幫的移近量和底鼓量都在巷道可控制的范圍以內。從經濟和安全兩發面考慮，無需再增加額外的投入。

綜上，長7.5 m錨索和長2.5 m錨桿聯合支護在回采期間能夠滿足支護，安全和通風要求。

3 2609運輸巷支護參數確定

煤層厚度取平均值2.5 m，傾角取平均值7°，巷道毛斷面寬4.6m，凈斷面寬4.3m，為了保證綜采設備運輸暢通，運輸巷中高要求凈高不低于2.5 m。2609運輸巷斷面支護斷面如圖9所示。

圖8 回采期間水平和垂直應力分布Fig.8 Horizontal and vertical stress distribution during stoping

表4 不同時期巷道圍巖位移量Tab.4 Displacement of surrounding rock of roadway in different periods

圖9 2609運輸巷斷面支護斷面Fig.9 Section supporting section of 2609 haulage gateway

4 工業性試驗

了解施工工藝是否合理、施工措施是否得到貫徹執行、通過礦壓觀測判斷支護方案是否需要局部調整等，現場工業試驗是科研項目的一項重要環節，系統地對2609運輸巷掘進和回采期間進行了礦壓觀測，為巨厚泥巖滲水巷道研究積累了一定的經驗。

4.1 工程概況

工作面位于26膠帶下山以南，西為2607工作面采空區，東為2801工作面(未掘)，南至5斷層保護煤柱。該回采工作面地質構造條件較復雜，整個工作面煤層基本呈復式褶曲構造形態，工作面里段為一寬緩背斜，外部呈向斜構造，傾角5°～13°，平均傾角7°。采面工程布置如圖10所示。

圖10 采面工程布置Fig.10 Layout of working face

工作面內有9條斷層，其中三維地震斷層DF033、DF045、DF046、DF056、DF057、DF061六條，2607運輸巷揭露F2607-4、F2607-5、F2607-6三條斷層。其中DF061斷層落差為9.3 m，對運輸巷掘進影響較大，DF056斷層對回風巷運輸聯巷掘進影響較大，F2607-5斷層對回風巷外段掘進影響較大，F2607-4、DF033、DF045、DF057對掘進有一定影響，DF046、F2607-16在工作面內，對掘進無影響；工作面回風巷外段及里段各有1處三維地震提供的火成巖侵蝕區，對掘進影響較大，掘進期間密切關注。根據2607工作面掘進期間地質資料推測2609工作面運輸巷的地質特征：二2煤層穩定，厚度變化較大，最薄0，最厚3.3 m，平均2.5 m，煤層傾角平均7°。該掘進工作面水文地質條件復雜，主要充水水源為二2煤頂、底板砂巖裂隙水、底板太灰水和2607工作面老空水。本工作面開采煤層為二2煤層，為低硫、低磷、低灰分、高發熱量的優質無煙煤，煤層結構簡單，煤層較穩定，煤層厚度0～3.3 m，平均厚度2.5 m。回風巷外段及里段各有一較大的火成巖侵蝕區，煤層可能被侵蝕或蝕變為天然焦。

4.2 礦壓觀測結果分析

2609運輸巷梯次支護試驗段于巷道通尺牌300 m開始，于850 m通尺牌處結束，總共570 m。從2011年9月12日試驗段開始掘進，2011年12月14日試驗段結束。巷道表面位移觀測主要是觀測巷道頂板下沉、左右兩幫移近，由于煤巷底板經常清理，底鼓量很難給出準確的觀測結果，只能根據宏觀的觀測定性說明。巷道頂、底板，兩幫相對移近量的監測采用測槍、測桿或頂板動態儀等。從試驗段開始50 m開始布置測站，每隔150 m布置1個測站，共3個測站，3個測站分別在巷道通尺牌400、550、700 m處。定期觀測，對觀測數據進行整理和總結。主要包括兩幫移近和頂底板移近量，對3個測站的觀測數據進行處理，得出相應圍巖變形量曲線，如圖11所示。

圖11 圍巖變形量規律Fig.11 Law of deformation of surrounding rock

(1)巷道頂板活動比較穩定，沒有發生明顯的變形下沉，測站1和測站3處監測頂板下沉量為11 mm左右，這取決于巷道科學合理的支護方案帶來的良好支護效果。

(2)巷道兩幫最大變形量達到82 mm，左幫最大變形量達到40 mm。巷道兩幫變形主要是由于右幫變形引起。測站2顯示左幫變形量較大，說明試驗段中段左幫礦壓顯現比較明顯，現場觀測發現在試驗段中段左幫有數根錨桿被壓斷現象。

(3)現場觀測表明，巷道底鼓量比較大，進行了多次割底，底鼓量無法準確測量。

4.3 巷道維護效果

(1)掘進期間。2609運輸巷現場工業性試驗始于2011年9月12日，12月14日試驗段結束，共施工3個多月，成巷570 m。采用高預應力錨網索為基礎的梯次支護技術(圖12)，支護效果良好。

圖12 掘進期間巷道支護效果Fig.12 Roadway supporting effect during driving

(2)回采期間。2609面回采時由于受工作面超前支承壓力影響，巷道變形量比掘進時明顯增大。回采時巷道支護如圖13所示。

圖13 回采期間巷道支護效果實物Fig.13 Actual roadway support effect during the mining

5 結語

(1)提出了巨厚泥巖滲水頂板巷道梯次支護技術。首先采用錨桿支護在巷道頂板淺部圍巖造殼(一階支護)，再采用短錨索支護控制頂板中下部軟弱煤巖形成二次強化錨固承載結構(二階支護)，再應用長錨索對已形成的二階錨固承載體向頂板上部深層煤巖體實施整體組合錨固(三階支護)，使巨厚軟弱復合頂板巷道圍巖逐段依次得以多次錨固，在頂板巖層中形成一定厚度和承載強度的具有組合錨固效應的階梯式立體支護結構，有效控制頂板圍巖變形。

(2)分析了巨厚泥巖滲水頂板巷道梯次支護的力學機理。理論計算表明：頂板最大剪應力在巷幫上方位置處，頂板最大拉應力在巷道跨度中部位置處，采用階梯式錨網索支護比一般錨網索支護的最大應力值減小。分析了厚層泥巖滲水頂板巖層變形特征，通過三階支護的配合方式實現頂板梯次支護，形成“類剛性梁”，研究了厚層泥巖滲水頂板中采用錨桿、錨索支護情況下形成穩固承載結構的特點。建立了組合梁計算模型，分析了組合梁受力狀況，給出了錨桿、錨索參數計算方法。

(3)優化了施工方案和施工工藝，提出了合理的支護參數，并成功應用于現場工業性試驗，取得了較好的支護效果，維護了工作面安全順利回采。在2609運輸巷施工570 m，并根據礦壓顯現及時修改補充了支護設計參數。在整個觀測期間內，巷道滲水地段受力較為明顯，錨索的大托盤上出現花紋，且讓壓管變形。礦壓觀測表明：在巷道的掘進和工作面回采期間巷道圍巖沒有出現大的變形，取得了良好的支護效果，巷道維護滿足區段生產期間的通風、行人、運輸等安全生產需要。

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