深部復合頂板煤巷支護優化穩定控制研究

王宇涵,吳顯廷,常文超

(中國礦業大學(北京),北京 100083)

我國的煤礦行業正處于向深部發展的階段，復合頂板煤巷的數量和比例不斷增加[1]，隨之而來的是井下圍巖壓力的不斷增大，增大的壓力給礦井巷道支護的穩定性提出了更高的要求，原有的在淺部的支護方案已不適用于深部巷道，巷道的安全性和穩定性亟待解決。復合頂板作為井下巷道常見的頂板條件自然成為了專家學者的重點研究對象[2-5]。

復合頂板即離層性頂板，是一種在巖性和巖石的力學性等方面特殊組合的直接頂。復合頂板的巖層厚度大，不穩定因素大，其中包含了許多軟弱巖層、煤層，甚至有的地方會出現厚度極薄的煤線。在巷道的挖掘和爆破工作中極易出現因為高應力的壓迫而導致頂板出現斷層和冒落。有關于復合頂板的研究很多：伍中建等[6]以江西曲江礦西大巷為例，設計出了“錨網+U29半圓鋼架+圍巖膠結注漿”聯合支護，對于巷道支護優化起到了很好的支護效果，利用數值模擬；肖同強等[7]發現了深部高應力巷道的變形破壞機制和提出了相關巷道的支護方案，取得了較為理想的結果，巷道的穩定性得到了提高；余偉健等[8]針對高應力巷道變形機理問題，提出以“預應力桁架錨索”為主體的綜合支護技術；張永青等[9]通過觀測試驗方法和數值模擬解釋了分析巷道破壞機制和巷道破壞過程，提出了錨網梁+預應力桁架錨索梁的聯合支護方式；何滿潮等[10]對夾河礦2442工作面巷道進行地質條件的分析，使用數值模擬提出了錨網索耦合支護設計方案。

1 工程背景

王家嶺煤礦11132巷道位于一盤區，處于太行山脈南段西側，煤層厚度在3.94 m～5.33 m之間，平均厚度為4.58 m，煤層傾角在2°～6°，平均傾角為3°。巷道開采3號煤層，煤呈現出黑色或者灰黑色，硬度偏低，普遍硬度在3.0以下。煤層的頂板條件由兩部分組成，如圖1所示：直接頂和基本頂。其中直接頂是由粗粒砂巖，3號薄煤層和細粒砂巖組成，三者之間的聯結力較低，容易出現頂板冒落的情況，直接頂的平均厚度為4 m，泥巖的平均厚度為1 m，3號煤層的平均厚度為1 m，細粒砂巖的平均厚度為2 m；基本頂是由粗粒砂巖組成，和細粒砂巖直接接觸，平均厚度為5 m，復合頂板的平均高度在9 m。巷道的高度在3 m左右，寬度為4 m，是一個矩形斷面。巷道的頂板條件復雜，相互之間的作用力小，在巷道的施工和使用過程，由于巖體本身軟弱，自我承載能力較低而不能經受上覆巖層的壓力，甚至最終會導致頂板巖層不斷下沉、離層，甚至破壞。

2 巷道頂板支護變形特征

2.1 原巷道支護方案

巷道原支護由全錨桿和錨網組成，錨桿選用高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，如圖2所示。

1)頂板支護為3根錨桿和錨網組成，3根錨桿為φ22 mm×2 200 mm型，間距1 000 mm，排距2 000 mm，位于巷道中間部位，每根錨桿采用1支MSK2335和1支MSZ2360錨固劑進行錨固，錨固長度不低于100 mm。錨固力不小于150 kN，錨網采用10號鐵絲編織而成的金屬菱形網護幫，網孔規格50 mm×50 mm。

2)幫部支護由錨桿和錨網組成，錨桿有8根，左幫、右幫分別錨固4根，類型為φ22 mm×2 200 mm，排距2 000 mm，其中處于幫部上方位置的2根錨桿與幫部的法線方向呈30°，其余6根錨桿與幫部垂直，錨固長度不低于100 mm，錨固力不小于150 kN，錨固劑、錨網和頂板所用材料相同。

3)底版支護由2根錨桿組成，錨桿類型為φ22 mm×4 300 mm型，與底板的法線方向的夾角為30°，錨固長度不低于100 mm。錨固力不小于250 kN，采用加長錨固，采用三支錨固劑，一支為快速錨固劑，型號MSK2335，兩支為中速錨固劑，型號為MSZ2360。

2.2 原支護方案存在的問題

原支護方案中頂板錨桿長度較短，大部分處于泥巖和煤層中，小部分處于砂巖中，錨桿頂部未接觸到粗粒砂巖，沒能很好的把各巖層固定，巖層之間的聯結力低。錨桿頂端處于細粒砂巖之中，容易發生偏移和滑動。導致了在巷道的使用中頂板下沉嚴重，有很大的安全隱患。

3 巷道頂板支護方案優化

由于原支護沒有較好的考慮到復合頂板的影響，所以對巷道原支護的頂板加以優化。在巷道的頂板加設加長錨索，采用兩種方案：在巷道的頂板增加2根加長錨索；在巷道的頂板增加4根加長錨索。錨索采用φ22 mm×6 300 mm型，與頂板垂直，間距為1 000 mm，排距為2 000 mm，錨固長度不低于100 mm。錨固力不小于250 kN，采用加長錨固，采用三支錨固劑，一支為快速錨固劑，型號MSK2335，兩支為中速錨固劑，型號為MSZ2360。錨索的具體布置如圖3所示。

4 巷道頂板數值模擬優化分析

4.1 巷道模型建立

根據巷道的實際情況，利用FLAC3D對巷道頂板變化進行分析，巷道模型的大小為44 m×40 m×40 m，巷道的土層分布從上到下依次是泥巖1、粗粒砂巖1號、3號薄煤層、細粒砂巖、粗粒砂巖2、灰巖、泥巖2。巷道高3 m，寬4 m，位于模型中部位置，巷道的直接頂為粗粒砂巖2、細粒砂巖、3號薄煤層，基本頂為粗粒砂巖1。采用摩爾—庫侖準則，上部為應力邊界條件，承受均布載荷，左、右邊界x方向固定，前、后邊界y方向固定，底邊界z方向固定，如圖4所示。

4.2 頂板優化模擬結果分析

根據頂板的垂直位移和垂直應力可以看出：

1)原支護條件狀況下巷道頂板圍巖應力釋放，應力平衡被破壞，圍巖已經失去穩定性，頂板承受的最大應力為25 MPa，頂板的最大下沉量已經達到了0.9 m之多，底板的底鼓量也達到了0.27 m，巷道變形嚴重，巷道的塑性區已經進入破壞階段。2)增加了2根錨索的頂板，由應力圖可以看出，頂板的最大應力與原支護有了下降，塑性區的破壞范圍有了一定程度的減小，頂板的最大下沉量也降低到了0.63 m，底板的底鼓量也有了一定的降低，但是頂板的下沉量依然會影響巷道的正常使用，存在著安全隱患。3)增加了4根錨索的頂板，由圖可知，巷道圍巖的應力得到改善，頂板應力下降，巷道的頂板下沉量也只有0.22 m，巷道的支護效果較好，頂板下沉量也在可控的范圍內，不會影響巷道的正常使用，所以巷道的優化采用增加4根錨索，如圖5～圖8所示。

5 應用效果分析

為了檢驗巷道的優化支護方案是否具有可行性。在趙莊礦11132巷道設置2個監測點對巷道頂板進行實時監測，2個監測點間隔80 m，每3 d檢測一次，一共持續3個月。具體的數據如圖9所示。

經過3個月的不間斷檢測，發現11132巷道在前1個月的頂板下沉量變化較大，變化速率也比較快，頂板下沉量在0.14 m～0.20 m之間，而在后2個月，巷道的位移變化速率逐漸減小，巷道的位移量趨于穩定，頂板下沉量在0.23 m～0.27 m之間。根據實際巷道檢測與數值模擬結果進行對比，發現實際巷道頂板下沉量要略微大于模擬下沉量，兩者的結果相差不大，說明新的支護方案是能夠解決11132巷道頂板下沉的問題，支護的效果也明顯。

6 結語

1)王家嶺巷道原支護，由于沒有較好的考慮到復合頂板的因素，頂板錨桿大部分處于直接頂中，沒有較好的把直接頂和基本頂結合，導致了巷道頂板下沉嚴重的問題，巷道整體的支護效果差，嚴重影響巷道的使用和安全。

2)在原支護的基礎上，對巷道頂板支護進行優化，分別架設了2根加長錨索和4根加長錨索，通過數值模擬和巷道實際檢測可以得知，增加4根加長錨索能夠解決頂板大幅度下沉的問題，在檢測前期巷道頂板的下沉幅度略大，到檢測后期下沉幅度減小，直至趨于穩定，巷道的頂板下沉量控制在0.23 m～0.27 m之間，說明支護效果好，支護方案能夠采用于巷道。