丁培茂

(潞安化工集團(tuán) 山西新元煤炭有限責(zé)任公司,山西 壽陽 045400)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們對資源和能源的依賴性逐漸增強(qiáng),由于淺層資源的枯竭,煤炭開采向深層礦山進(jìn)軍,其開采技術(shù)條件也越來越復(fù)雜,對巷道圍巖的支護(hù)要求也隨之增加,尤其是復(fù)合頂板巷道圍巖支護(hù),在煤礦開采中所占比例的不斷增加,一直是國內(nèi)外巷道支護(hù)的難點(diǎn),對其支護(hù)技術(shù)的研究也受眾多專家的關(guān)注[1-5]。由于新元公司9108工作面進(jìn)風(fēng)巷頂板為復(fù)合頂板,巷道頂板易冒頂,控制難度較大,因此,本文采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的方法,探究復(fù)合頂板矩形巷道的支護(hù)技術(shù),以期為類似工程巷道圍巖的支護(hù)提供借鑒。

1 工程概況

新元公司9108綜采工作面位于9號煤一水平一采區(qū),地面標(biāo)高1 092.5～1 141.3 m,工作面標(biāo)高570.5～679.3 m,埋藏深度449.4～510.3 m.9108綜采工作面井下南鄰9號煤一采區(qū)大巷,東鄰9107進(jìn)風(fēng)巷,西鄰9109進(jìn)風(fēng)巷;上部為3號煤3415、3416工作面(已采完),其中3415進(jìn)風(fēng)巷位于9108工作面79架附近上部,3416進(jìn)風(fēng)巷位于9108工作面51架附近上部。

9108回采工作面開采9號煤層,以亮煤為主,內(nèi)生裂隙發(fā)育,煤層傾角一般為0°～8°,平均4°.9108工作面進(jìn)風(fēng)巷為矩形斷面,寬5.1 m,高3.0 m,巷長1 670.7 m,沿9號煤層頂板掘進(jìn)。

由于直接頂以砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖為主,中部含砂質(zhì)條帶,含植物化石及云母碎片,其吸水容易發(fā)生軟化,使得頂板的整體穩(wěn)定性降低,隨工作面不斷向前推進(jìn),巷道極易發(fā)生冒頂、片幫等圍巖破壞現(xiàn)象,應(yīng)加強(qiáng)巷道頂板的支護(hù),避免礦壓災(zāi)害的發(fā)生,煤層頂?shù)装迩闆r見表1.

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 復(fù)合頂板巷道破壞機(jī)理及控制對策

2.1 破壞機(jī)理

復(fù)合頂板巷道圍巖發(fā)生變形破壞主要是由于頂板巖層的材料、厚度存在較大的差異,各個巖層具有不同的撓度,在頂板的變形過程中極易產(chǎn)生離層,同時不同巖層具有不同的強(qiáng)度,頂板會在強(qiáng)度較小的軟弱層產(chǎn)生裂隙并逐漸發(fā)生分層,多次破壞。控制復(fù)合頂板的穩(wěn)定性需要通過支護(hù)手段將復(fù)合頂板固定為一個整體,避免軟弱層發(fā)生破壞。

2.2 控制對策

錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)可以增大巷道的開挖空間,增大錨桿的排距和間距,減少錨桿支護(hù)的數(shù)量,加快巷道的開挖進(jìn)度,同時注漿錨索還可以加固圍巖。實(shí)踐結(jié)果證明,錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對巷道的薄弱部位或復(fù)合頂板的支護(hù)具有很好的適用性[6-8]。

3 支護(hù)參數(shù)理論計算

3.1 錨桿參數(shù)的確定

1) 錨桿長度計算公式見式(1):

L≥L1+L2+L3

(1)

式中:L為錨桿長度,m;L1為墊板厚度+螺母厚度(0.02～0.03)m,一般取0.1 m;L2為錨桿有效長度,m;L3為錨入穩(wěn)定巖層深度,取1.2 m.

由普氏自然平衡拱理論可得,頂板位置錨桿的有效長度為:

L1=[B/2+htan(45-ω1/2)]/f1

式中:B為巷道掘進(jìn)最大寬度,取5.2 m;f為普氏系數(shù),取3.5;h為巷道凈高,取3.0 m;ω1為兩幫位置巖體的內(nèi)摩擦角,取65°.計算可得,頂板位置錨桿的有效長度為L1≈0.9 m.

兩幫位置錨桿的有效長度為:

式中:f為普氏系數(shù),取3;d為煤層的厚度, 取3.0 m;φ為煤的內(nèi)摩擦角,取26°.計算可得,兩幫位置錨桿的有效長度L2≈0.67 m.

所以頂板錨桿長度L≥2.2 m;兩幫錨桿長度L≥1.97 m;頂板錨桿長度最終確定為2.2 m,兩幫錨桿長度最終確定為2.0 m.

2) 錨桿直徑計算公式見式(2):

(2)

式中:D為錨桿直徑,mm;Q為錨桿錨固力,取190 kN;σt為錨桿抗拉強(qiáng)度,取500 MPa;經(jīng)計算可得,D=22 mm.

3) 錨桿間距計算公式見式(3):

(3)

式中:a為錨桿間、排距,m;Q為錨桿設(shè)計錨固力,幫錨桿≥80 kN;h為冒落高度,取2.2 m;k為安全系數(shù),取2.0;γ為巖體容重,取22.7 kN/m3.

考慮一定的安全系數(shù),頂板錨桿間排距采用900 mm×900 mm,考慮到巷道的高度,兩幫錨桿間排距采用1 000 mm×900 mm.

3.2 錨索支護(hù)參數(shù)的確定

1) 錨索長度計算公式見式(4):

L=L1+Lb+Lm

(4)

式中:L為錨索長度,m;L1為錨索外露長度,取0.3 m;Lb為不穩(wěn)定巖層的高度,取5.0 m;Lm為錨固長度,取1.5 m.計算可得,L=6.8 m.

2) 錨索間距。由懸吊理論和平衡理論,計算錨索的間距為:

(5)

式中:L為錨索間距,m;n為錨索的排數(shù),取1;F2為錨索的最大承載力,取300 kN;L1為錨桿排距,取0.9 m;B為巷道垮落的最大寬度,取5.1 m;H為巷道冒落的高度,取2.2 m;γ為巖體容重,取22.7 kN/m3;F1為錨桿的錨固力,取90 kN;θ為幫角錨桿與水平方向的夾角,取75°.計算可得,L=2.02 m.結(jié)合煤礦井下工作面實(shí)際情況,確定頂板錨索選用D21.8 mm×6 800 mm的中空注漿錨索,間距2 000 mm,排距1 800 mm.

3.3 支護(hù)技術(shù)方案

巷道的頂板位置支護(hù)錨桿選用直徑為22 mm、長度為2 200 mm的螺紋鋼錨桿,頂板位置錨桿的間排距分別為900 mm、900 mm.

巷道的兩幫位置支護(hù)錨桿選用直徑為22 mm、長度為2 000 mm的螺紋鋼錨桿,兩幫位置錨桿的間排距分別為1 000 mm、900 mm,同時左右?guī)湾^桿呈對稱打設(shè)。配合使用BHW-280-4.5×4 800 mm的鋼帶。

巷道的頂板處每兩排錨桿中間設(shè)置兩根D21.8 mm×6 800 mm的中空注漿錨索,錨索間排距分別為2 000 mm、1 800 mm,注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿,水灰質(zhì)量比大約為0.8,水玻璃的質(zhì)量濃度大約為50Be’左右,水玻璃與水泥漿液的體積之比為0.5∶1.

頂板、兩幫鋪設(shè)長×寬=2 700 mm×1 100 mm的六邊形金屬網(wǎng),金屬網(wǎng)鋪設(shè)完成后需馬上進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)作業(yè),同時金屬網(wǎng)與金屬網(wǎng)之間需要搭接,金屬網(wǎng)的搭接寬度設(shè)計為50 mm,采用16號雙股鉛絲扭接不少于3圈,聯(lián)網(wǎng)距不大于200 mm.巷道支護(hù)方案如圖1所示。

圖1 巷道支護(hù)方案圖(單位:mm)

3.4 支護(hù)參數(shù)數(shù)值模擬驗(yàn)證

根據(jù)9108進(jìn)風(fēng)巷的實(shí)際地質(zhì)情況,運(yùn)用FLAC3D數(shù)值軟件進(jìn)行計算,建立的三維數(shù)值計算模型尺寸為:長×寬×高=50 m×40 m×40 m,共劃分為53 176 個單元。計算過程中采用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則,模型的四周以及下邊界均設(shè)定為固定約束,模型的上表面設(shè)定為自由約束,煤層的埋深為上覆巖層的重力。模型計算所得巷道豎向位移和應(yīng)力分布云圖如圖2所示。

圖2 巷道圍巖豎向位移、應(yīng)力分布云圖

由圖2可看出,采用“錨桿+注漿錨索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后,9108進(jìn)風(fēng)巷頂板最大下沉量約為28.6 mm,最大底鼓量約為8.4 mm,圍巖變形量相對較小,同時圍巖豎向應(yīng)力值約為6.2 MPa,應(yīng)力分布均勻,無應(yīng)力集中現(xiàn)象,巷道圍巖的安全穩(wěn)定性較高,說明采用優(yōu)化支護(hù)方案后,可對9108進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形進(jìn)行有效控制,也進(jìn)一步說明了支護(hù)參數(shù)的合理性。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

將“錨桿+注漿錨索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于9108進(jìn)風(fēng)巷復(fù)合頂板段,并在巷道掘進(jìn)施工過程中采用“十字布點(diǎn)法”監(jiān)測巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形情況,巷道變形曲線如圖3所示,同時采用兩點(diǎn)位移計以及多點(diǎn)位移計來進(jìn)行巷道頂板離層量的測量,在進(jìn)風(fēng)巷中位移計每間隔50 m 布設(shè)1個,每個離層儀布設(shè)2 個點(diǎn),按照上覆巖層的地質(zhì)條件,位移計的深度分別設(shè)計為2.5 m 、6.5 m,頂板離層變化曲線如圖4所示。

圖3 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形曲線圖

圖4 頂板離層變化曲線

由圖3可以看出,在巷道掘進(jìn)的前15 d,巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形量不大,在15～36 d內(nèi),巷道底板及兩幫的圍巖變形速率較大,在90 d后,圍巖變形量趨于穩(wěn)定,頂?shù)装遄畲笞冃瘟糠謩e為22 mm、74 mm,高、低幫最大變形量分別為55 mm、30 mm,進(jìn)風(fēng)巷整體斷面的收縮率約為4.8%,圍巖支護(hù)效果良好。

由圖3、圖4可以看出,頂板離層量與時間存在著密切關(guān)系,離層量變化具有階梯型,在巷道開始掘進(jìn)時,錨桿可以發(fā)揮其支護(hù)作用,直接頂產(chǎn)生較小的離層,隨掘進(jìn)時間的發(fā)展,頂板淺部離層量開始增大,在15 d以后,淺部離層量趨于穩(wěn)定值5.1 mm;頂板深部離層量在巷道開始掘進(jìn)時較小,之后離層量發(fā)生較大的跳躍;在63 d以后,深部離層量趨于穩(wěn)定值20.3 mm.

5 結(jié) 語

1) 通過采用巷道圍巖錨桿索支護(hù)計算公式確定了9108進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)參數(shù),數(shù)值計算驗(yàn)證了“錨桿+注漿錨索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)參數(shù)的合理有效性。

2) 現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明,采用“錨桿+注漿錨索+鋼筋網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后,進(jìn)風(fēng)巷整體斷面的收縮率約為4.8%,且變形量、離層量均處于變形允許范圍內(nèi),表明了該聯(lián)合支護(hù)技術(shù)在深井復(fù)合頂板支護(hù)中的合理性。