劉躍輝

(陽泉煤業(yè)集團長溝煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉中 032700)

1 概述

15115工作面第一切眼與第一停采線之間區(qū)段傾斜長度165m，走向長度290m。第一停采線與第二切眼之間區(qū)段傾斜長度165m，走向長度35m。第二切眼與第二停采線之間區(qū)段傾斜長度165m，走向長度822m。工作面頂?shù)装鍘r性如表1所示。

表1 工作面頂?shù)装鍘r性

如表1所示，15115工作面煤層的上覆巖層，從直接頂?shù)嚼享敒檐浫?堅硬性，在往上為軟弱-堅硬性的相間復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種硬度交替變化的復(fù)合頂板結(jié)構(gòu)極易在裂隙水和圍巖應(yīng)力的綜合作用下發(fā)生軟化，導(dǎo)致圍巖的蘇醒降低并整體失穩(wěn)。從現(xiàn)場分析，工作面掘進期間巷道頂板普遍存在節(jié)理裂隙、軟弱夾層，直接頂巖層多薄層分布，存在網(wǎng)包現(xiàn)象，在橫川和切眼等巷道交叉、應(yīng)力集中區(qū)域部分錨桿失效破斷。因此非常有必要開展類似地質(zhì)條件下應(yīng)力數(shù)值模擬、錨索受力狀態(tài)分析等研究，以提出合理方案，確?；夭砂踩?。

2 巷道受力狀態(tài)分析

順槽巷道變形以兩幫移近變形為主，巷道兩幫整體移近對頂板圍巖產(chǎn)生“剪切”作用。巷道煤體強度低，兩幫錨索錨固力較低，且初始張拉損失較大造成巷幫錨索初始預(yù)緊力施加較?。幌锏纼蓭驼w移近的同時，勢必會給巷道頂板巖層頂板巖層產(chǎn)生“剪切力”，造成頂板巖層之間相互錯動，頂板巖層相互錯動出現(xiàn)壓力釋放區(qū)，使頂幫圍巖整體完整性遭到破壞，頂板整體完整性內(nèi)部受損，頂板支護強度不足以維持巷道頂板的完整性，最終出現(xiàn)巷道頂板逐步破壞。

頂板復(fù)合巖層分層明顯，且相互錯動，是造成錨索破斷的主要原因。頂板巖層受巷道兩幫整體移近影響相互錯動形成水平剪應(yīng)力，水平剪應(yīng)力在巷道頂板集中，對頂板維護產(chǎn)生嚴重不利影響。在水平剪應(yīng)力的作用下，頂板巖層產(chǎn)生水平錯動的趨勢，而弱膠結(jié)的層狀巖體在較大水平應(yīng)力作用下會發(fā)生層間錯動，形成橫向裂隙和層間離層，加劇了巖體的分層和破碎，加之劇烈的采動影響，巖體破碎程度會加劇，如圖1所示。

錨索破斷造成頂板在弱支護情況下圍巖短時間出現(xiàn)大變形，導(dǎo)致頂板變形下沉量增大。頂板錨索破斷主要是以剪切破斷為主，當(dāng)前礦壓監(jiān)測方案不能及時監(jiān)測錨索破斷，無法對破斷錨索處及時進行補打，巷道支護強度低，造成巷道頂板在支護強度不足處變形破壞嚴重。在地質(zhì)生產(chǎn)條件變化尤其當(dāng)頂板存在節(jié)理裂隙的復(fù)合巖層時，需及時調(diào)整錨桿錨索排距至1000～1100mm以保證預(yù)應(yīng)力連續(xù)有效擴散，巷道條件復(fù)雜時采用頂板全錨索支護以加強有效控制深度。

圖1 復(fù)合層狀巖體相互錯動錨索破壞示意圖

3 含節(jié)理頂板數(shù)值模擬分析

根據(jù)15115工作面地質(zhì)力學(xué)參數(shù)，模擬中等圍巖結(jié)構(gòu)條件下的埋深煤層開采，設(shè)置水平層理條件下頂板不同裂隙面寬度(裂隙寬度10mm、50mm、100mm及錨桿錨固范圍外四種情況)，預(yù)應(yīng)力300N·m條件下，從巷道表面位移大小、圍巖受力狀態(tài)以及巷道圍巖應(yīng)力場分布特征的方面來分析復(fù)合頂板對錨桿錨索支護的影響。對其垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力進行模擬。

頂板不同裂隙尺度下巷道變形量，如表2所示。從應(yīng)力場分布及變形數(shù)據(jù)來看，由于裂隙的作用，在巷道頂板和裂隙表面形成了較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)，錨桿錨固范圍內(nèi)存在裂隙或裂縫條件下，裂隙寬度為10mm時，最大垂直應(yīng)力為12.38MPa，最大水平應(yīng)力為16.08MPa；裂縫寬度為50mm時，最大垂直應(yīng)力為12.57MPa，最大水平應(yīng)力為16.22MPa；裂縫寬度為100mm時，最大垂直應(yīng)力為12.79MPa，最大水平應(yīng)力為16.31MPa。錨桿錨固范圍外，錨索錨固范圍內(nèi)存在裂縫條件下，裂縫寬度為100mm時，最大垂直應(yīng)力為12.26MPa，最大水平應(yīng)力為16.64Mpa。

表2 不同裂隙尺度下巷道變形量

預(yù)應(yīng)力為300N·m時，從位移場分布來看，由于裂隙的作用，錨桿錨固范圍內(nèi)存在裂隙或裂縫條件下，裂隙寬度為10mm時，頂板最大下沉量為44.6mm，最大底鼓量為33.3mm，兩幫最大移近量為91.6mm；裂縫寬度為50mm時，頂板最大下沉量為49.1mm，最大底鼓量為33.1mm，兩幫最大移近量為94.4mm；裂縫寬度為100mm時，頂板最大下沉量為53.5mm，最大底鼓量為32.8mm，兩幫最大移近量為96.7mm。錨桿錨固范圍外，錨索錨固范圍內(nèi)存在裂縫條件下，裂縫寬度為100mm時，頂板最大下沉量為42.3mm，最大底鼓量為33.4mm，兩幫最大移近量為90.5mm。

當(dāng)巷道頂板存在軟弱結(jié)構(gòu)面或裂隙時，巷道圍巖應(yīng)力場和位移場將發(fā)生顯著變化，由于裂隙處無法進行應(yīng)力的傳遞，從而對應(yīng)力場和位移場分布形態(tài)產(chǎn)生很大影響。從不同裂隙分布情況及寬度圍巖應(yīng)力場和位移場分布可以看出，裂隙越寬，巷道應(yīng)力集中程度約高，圍巖變形越劇烈；裂隙距離巷道表面越遠，對巷道變形的影響程度越小。因此需要對錨桿錨索排距進行合理調(diào)整，以滿足頂板巖層內(nèi)高預(yù)應(yīng)力連續(xù)擴散要求。

4 支護措施

在以上數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，針對含節(jié)理、軟弱夾層的復(fù)合頂板條件提出以下支護措施：

1)當(dāng)節(jié)理、軟弱夾層等復(fù)合巖層主要分布在錨桿支護范圍外時，錨桿支護作用仍可有效發(fā)揮，調(diào)小錨桿錨索排距至1000～1100mm。加強錨索錨固力及預(yù)緊力檢測，不合格時及時采取補強措施。

2)當(dāng)節(jié)理、軟弱夾層等復(fù)合巖層主要分布在錨桿支護范圍內(nèi)時，且建議采用頂板全錨索支護，長度5300mm左右，排距1200mm，同時增加幫錨索數(shù)量至每排2根，進一步加強煤幫變形控制，依據(jù)現(xiàn)場錨固范圍巖層結(jié)構(gòu)特點適當(dāng)調(diào)整。加大初始預(yù)應(yīng)力強度，控制淺部圍巖的錯動膨脹變形。

5 結(jié)論

通過對15115工作面復(fù)合頂板條件進行巷道受力分析和不同寬度裂隙數(shù)值模擬，分析了應(yīng)力場與圍巖變形變化特征，提出合理的支護對策：當(dāng)節(jié)理、軟弱夾層等復(fù)合巖層主要分布在錨桿支護范圍外時調(diào)小錨桿錨索排距至1000～1100mm，當(dāng)節(jié)理、軟弱夾層等復(fù)合巖層主要分布在錨桿支護范圍內(nèi)時，建議采用頂板全錨索支護，長度5300mm左右，排距1200mm，同時增加幫錨索數(shù)量至每排2根，進一步加強煤幫變形控制，使巷道圍巖保持了很好的完整性，提供的支護參數(shù)能滿足生產(chǎn)和安全要求。