德順煤業復合頂板巷道圍巖控制技術研究

崔樹文

（山西焦煤西山煤電德順煤業有限公司，山西 呂梁 033000）

隨著礦井不斷增大開采強度和深度，巷道所受到的地應力也在持續增大，巷道圍巖不斷發生破碎，錨桿與錨索破斷失效數量在增加，頂板垮落的概率也在升高，導致巷道難以支護[1]。由于煤層賦存條件的不同，部分礦井所開采煤層頂板屬于復合頂板，復合頂板具有發育充分的裂隙、巖層間具有較小的粘結力、強度小、穩定可靠性差，巷道掘進后易發生破斷[2]，復合頂板巷道支護已成為現階段急需攻克的難題。

科研工作者對此開展大量科研工作，范仕清等[3]在丁集礦1232（1）工作面回風巷通過預應力中空錨桿和預應力中空錨索分步注漿，明顯減少了巷道圍巖的變形；高鳳偉等[4]在趙莊煤礦實施全斷面高預緊力錨索支護技術，回采巷道的圍巖變形量明顯下降，確保礦井安全回采；王新國等[5]在榆家梁煤礦軟弱復合頂板巷道實施“內+外層錨桿”聯合支護方案，頂板、兩幫最大變形量下降了50%以上。

本文在山西焦煤集團西山煤電公司德順煤業（簡稱“德順煤業”）11106 皮帶巷掘進面開展試驗研究，研究復合頂板巷道圍巖變形破壞規律，分析在錨桿預緊力不同時如何抑制復合頂板離層，并制定復合頂板巷道圍巖的支護措施，提高圍巖的穩定性[6-7]。

1 工作面情況

山西焦煤集團西山煤電公司德順煤業11106工作面開采11#煤，煤厚為3.9 m，煤層傾角為6°，傾斜長度124 m，可采走向長度690 m，埋藏深度440.5 m，工作面柱狀圖如圖1所示。從圖1得到：巷道頂板屬于復合頂板巖層。

圖1 柱狀圖

11106 皮帶巷位于一采區東南翼，東鄰礦界保安煤柱、工作面東部40 m 為金達煤業9#、10#煤層采空區，南鄰X8 陷落柱及煤柱，西鄰11102 工作面（已回采），北鄰東翼膠帶大巷，工作面上部為10102、10106 采空區。

巷道掘進完成后作為11106 工作面的出煤巷道，主要用途為鋪設皮帶給工作面運輸煤炭，掘進面尺寸5 m（寬）×2.8 m（高），掘巷采用EBZ-135 型掘進機割、裝、運煤，頂板支護采用的是錨桿、錨索，錨桿中間添加錨索，二者分別長為2.4 m、7.4 m，每排按6根、3根布置錨桿及錨索，排距1 m×1 m；巷幫施工錨桿4根，采用菱形金屬網支護頂板及兩幫，間排距與頂板布置相同。

表1是工作面地應力測試結果，從表中看出，最大水平主應力方向與皮帶巷走向的夾角為65.3°，說明對巷道頂底板穩定性產生了較大沖擊。表2顯示了巷道頂板單軸抗壓強度測試結果，可以看出巖層間強度差異大，對巷道圍巖穩定性產生了顯著影響。

表1 地應力測試結果

表2 單軸抗壓強度測試結果

2 巷道變形特征

2.1 頂板巖層變形規律

11106 皮帶巷掘進一段時間后，頂板多處出現較大離層，淺區離層值87 mm，深區42 mm，直接頂出現了嚴重的裂紋、損壞，頂板出現了一些墜袋，需排出碎矸。錨桿只起到懸吊作用，不再起到主動支撐的作用。頂板中間地點開始彎曲變形，覆巖施加于錨桿的作用力超過150 kN，有的地點錨索和錨桿發生斷裂，難以維護頂板。為有效阻止頂板發生彎曲下沉甚至破碎冒頂，通過采取補強支護手段（打設單體柱和架工字鋼梁）抑制頂板下沉，但是補強支護效果不佳，單體柱因承載壓力大而發生超載卸壓，工字鋼梁被壓彎變形。

在11106 皮帶巷650 m 處施工3 個頂板巖層裂隙觀測孔，以觀察裂隙發育情況。設計觀測孔的長度為10 m，方位角為270°，傾角分別為40°、45°、50°。

此次頂板巖層變形規律分析選擇1 號鉆孔進行研究，利用鉆孔窺視儀觀察1 號鉆孔頂板發生明顯離層的區域，圖2 為鉆孔窺視情況。從圖2 中看出：鉆孔長度不超過4 m 時，頂板巖石破壞比較嚴重，出現了多處深裂紋與碎石，離層明顯。鉆孔長度在4 m 至6 m 之間，有幾處出現了離層；鉆孔長度超過6 m 處的巖層整體性較好，但離層現象持續延伸向更深處，圍巖穩定性存在挑戰。

圖2 鉆孔窺視情況

2.2 頂板錨桿變形規律

在11106 皮帶巷頂板嚴重變形處選擇6 根錨桿進行研究，此處巷道受外界環境影響很小，掘進規范，地質條件簡單，具有一定的代表性，從左至右依次抽出6根同排錨桿，編號1~6號，以素描的方式取得錨桿變形效果，如圖3 所示。表3 為1～6 號錨桿變形量，從表3發現：巷道頂角區域設置1、6號錨桿，二者在煤巖分界面處發生明顯的剪切變形，其余部分幾乎沒有變形。巷道頂板兩側為2、5 號錨桿，同樣在煤巖分界面出現較大剪切變形，但在其他部分也發生輕微變形。頂板中部的兩根錨桿標為3、4 號，與其他錨桿不同，3、4 號在分界面的變形小，但在其他面比另外4 根錨桿的剪切變形量大。

表3 1~6號錨桿變形量

圖3 素描錨桿變形效果

2.3 頂板巖層變形過程

圖4 為11106 皮帶巷復合頂板巖層變形過程。最初掘進巷道時，頂板巖層在錨桿和錨索的支撐下，頂板結構完好，未出現明顯離層，巖層相對穩定。掘進1個月后，因為巖層間的物理性質差異，會產生變形不同步，表現為輕微離層，受水平、垂直應力共同作用，頂板出現下沉但下沉量較小，頂板幾乎保持穩定；掘進3個月后，頂板出現明顯下沉，各巖層間離層顯著，頂板逼近失穩。掘進6 個月后，巖層變形加大，突破彎曲極限，產生塑性破壞出現碎塊，頂板失穩不再具有支護作用。

圖4 巖層變形階段

3 巷道支護分析

3.1 錨桿預緊力的控制作用

根據11106 工作面圍巖與巷道實際，利用FLAC3D數值模擬軟件搭建復合頂板巖層研究模型，具體如圖5所示，模型的長、寬、高分別為40 m、1 m、17.9 m，對模型進行劃分，單元和節點分別為20 580 個、30 090 個，重力加速度取值為10 m/s2，錨桿的有效錨固距離取800 mm，模型的計算模式選取大變形。根據工作面選用的錨桿型號設置錨固段參數，將每根錨桿劃分pile單元為24 個，在錨桿錨固區域構建interface 單元模擬層理面為7個。

圖5 數值模型

模擬給錨桿施加不同的預緊力，頂板塑性區面積如圖6 所示。從圖6 中看出：錨桿支護但未預緊時，頂板彎曲下沉且出現離層，淺層巖層雖由錨桿緊固于深層巖層，但其穩定性不佳，長時間風化作用下易出現失穩垮落；預緊力為30 kN，頂板塑性區面積有所減小，層理面間出現離層，巖層穩定性降低；預緊力增加至120 kN，破壞性面積顯著變小，圍巖的穩定性增加；升高至180 kN，幾乎沒有出現離層，說明高預應力錨桿能夠增強支護，降低離層概率，切實提高復合頂板巖層的強度與穩固。

圖6 錨桿預緊力不同時頂板塑性區面積

模擬錨桿施加不同預緊力時，頂板的垂直位移如圖7 所示。從圖7 可以發現：當未施加預緊力，頂板垂直位移高達186 mm，呈現明顯的下沉，說明錨桿支護無法穩固巖層；不斷增大預緊力，下沉位移不斷變小；升高到180 kN，位移出現最大值約60 mm，說明高預應力錨桿可以顯著提高巖層自承載能力。

圖7 錨桿預緊力不同時頂板垂直位移情況

3.2 復合頂板巷道支護方法

1）提高錨桿（索）預緊力。當給予錨桿錨索高預緊力時，其對復合巖層的固定作用增強，巖層之間離層現象減弱，巖層的整體性較好。將錨桿更換為短錨索，預緊力能夠增強4倍至6倍。

2）淺部和深部巖層聯合支護。因為在應力作用下，淺層巖易出現裂痕損壞，而多個短錨索同時作用，會在淺層巖內部搭建出預應力梁；同時短錨索具有較強的剛度，會增強抗剪強度，抵抗剪切變形；長錨索作用于深巖層，會提高巖層整體的承載能力，長短錨索結合可減少因淺層巖破損造成的冒頂事故。

3）使用高剛度支護材料。利用高強度的鋼筋網能提高巖層的整體性，利用W 鋼帶能增大淺層巖的支護面積，進一步提高頂板結構完整性。

4 現場實踐

4.1 支護方案設計

11106 皮帶巷支護參數：選用?22 mm×4 300 mm、250 kN 預緊力的短錨索，錨固方式使用加長錨固，按照每排5 根施工，間排距為1 050 mm×1 000 mm，通過W鋼帶對5 根錨索進行連鎖。每2 排短錨索中間施工2 根長錨索，長錨索選用?22 mm×7 300 mm，其他參數都和短錨索一致。頂板的金屬網選用由長度分別為5.5 m、寬度分別為1.2 m 的鋼筋網和塑料網二者組合而成的雙層網對頂板進行補強支護。

巷幫選用?22 mm×2 400 mm 的錨桿加長錨固，轉矩400 N·m；使用W鋼護板、高強度拱形護板輔助錨桿支護，選擇規格為3.5 m×1.2 m（長×寬）的菱形網作為網片，間排距為900 mm×1 000 mm。

4.2 圍巖變形監測

支護完成后，對巷道圍巖變形情況進行監測。在距離工作面開切眼100 m、200 m 的位置增設頂板離層儀，在距頂板4 m 處設置淺部基點，用LBY—3 頂板離層儀監測短錨索支護區離層值，7 m 處設置深部基點，監測短錨索、長錨索支護區離層值。在同樣的兩處位置增設巷道表面位移監測站，采用十字布點法，在頂底板和兩幫均設置0.4 m的木樁，并依次設置上彎形測定釘、測定繩。因此，圍巖巖層的變形量就可以依靠測定繩來獲取。

圖8 為頂板離層儀監測情況，從圖8 可以發現：100 m 處的監測數值，淺部離層最大值16 mm，深部11 mm；200 m 處的離層最大值分別為淺部29 mm、深部10 mm。以上數據表明巷道頂板淺部和深部的離層值都相對較小，巷道圍巖保持了較好的穩定性。

圖8 頂板離層監測曲線

同時借助鉆孔窺視儀觀測巷道頂板，鉆孔內處于煤巖分界面區域的孔壁幾乎未發生較大的剪切變形量，表面巷道頂板保持良好的完整性，基本與頂板離層儀觀測情況一致。

圖9 為巷道表面位移監測曲線，從圖9 可以發現：100 m、200 m 處的監測數值，巷道頂板下沉量最大值分別是29 mm、41 mm，分別占巷道最初高度為0.9%、1.3%，兩幫移近量最大值各是58 mm、76 mm，占巷道最初寬度的1.2%、1.6%。二者數據對比看出，各項指標無太大變化，圍巖較完

圖9 巷道圍巖變形監測曲線

5 結論

1）影響巷道穩定性主要集中在淺部巖層，其離層現象較顯著；錨桿設在頂角和頂板兩側，于煤巖分界面發生顯著剪切變形；設在頂板中間，煤巖分界面變形較小，但處于弱膠結巖層和錨桿錨固段與自由段分界面的變形較大；從巷道掘進初期至掘進完成后，頂板巖層經歷原巖——穩定——臨界失穩——失穩四個狀態過程。

2）通過數值模擬發現，無預緊力或預緊力較小時，錨桿不能充分支護頂板，淺部離層較多；隨著預緊力升高，頂板的離層量、下沉量不斷下降。高預應力錨桿明顯增強了圍巖的自承載能力，具有良好的主動支護作用。

3）按照模擬結果，在德順煤業11106 工作面進行現場實驗，采用長短錨索相結合的支護方式并進行位移監測。監測結果顯示，淺部、深部離層值均很小，頂板下沉量、兩幫移近量變化較小，表明該支護方式可以較好地保持巷道圍巖的穩定性與完整性。