復合頂板巷道支護技術研究

王繼松

(山西煤炭運銷集團臨汾有限公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

復合頂板在煤礦礦區中存在較為普遍，因井巷開挖擾動，圍巖應力重新分布，復合頂板將會發生不均勻塑性變形，圍巖結構面受到剪應力增大和原巖自重作用力，會造成剪切錯動離層，相鄰的巖層受力情況不同而導致彎曲程度也不同，軟弱巖層容易遭受剪切斷裂，軟弱結構面極易發生彎曲離層。尤其在開采深部煤層時，圍巖應力較淺部煤層更加明顯，復合頂板發生塑性變化程度顯著增加，松動圈范圍顯著擴大。當復合頂板發生塑性變化達到一定程度或者臨界值時，復合頂板會發生剪切錯動，造成局部或大范圍內的斷裂和垮落；當前，復合頂板冒頂事故頻發，可能會造成人員傷亡和經濟損失，是威脅煤礦安全生產的主要災害之一，對復合頂板控制技術的深入研究對煤礦高產高效具有深遠的意義[1]。

1 工程概況

山西煤炭運銷集團同富新煤業回采10#煤層，該煤層位于太原組下段頂部，K2石灰巖之下，上距2#煤層平均距離為58 m。厚度為1.5～2.8 m，平均厚度為2.09 m，傾角為3°～10°，煤層硬度f值為2～3，節理裂隙較發育，為沉積穩定、結構簡單-較簡單的全區大部分可采中厚煤層。頂板為K2石灰巖，平均厚度為4.91 m，灰巖為深灰色，質地堅硬、性脆，屬堅硬巖石，巖體完整時構成了堅硬極難冒落頂板，飽和抗壓強度48.5～58.8 MPa，屬Ⅲ類穩定型頂板；底板以砂質泥巖、鋁質泥巖為主，平均厚度4.73 m，黑色砂質泥巖飽和抗壓強度27.6 MPa，屬中硬巖層，為Ⅱ類中硬類底板。

首采面為10101工作面，掘進過程中頂板多處冒落，同時，頂板有整體下垮，壓垮兩幫的趨勢。為了滿足生產接替需要，在掘進10201運輸順槽和10201回風順槽時，利用中國礦業大學YTJ20型巖層探測窺視儀勘查發現，直接頂堅硬頂板K2灰巖內包含多層黃泥夾層，黃泥夾層厚度最厚處竟達60 mm，黃泥夾層層位均位于2.3～4.2 m之間，嚴重影響了頂板的穩定性，同時給頂板支護帶來了嚴重的困難。

2 巷道變形破壞機理與原因分析

2.1 復合頂板煤巷變形破壞機理

復合頂板包括2種類型：軟硬巖層相互間隔組成、頂板下部為幾層軟弱巖層而頂板上部為穩定性較好的堅硬厚巖層。復合頂板的特點是各層巖層大都地質弱面(包括節理、裂隙)發育，各巖層厚度較小或者厚巖層存在分層且各分層厚度都較小，各巖層之間粘結力很小甚至沒有粘結力。根據彈塑性力學的理論，復合頂板煤巷圍巖的變形破壞，一般有以下規律。

載荷：巷道開挖后，橫向荷載和縱向荷載作用于下位頂板巖層，對頂板撓度影響規律有本質差別，橫向荷載增大只引起量變，縱向荷載增大會引起質變。縱向均布荷載在理論上存在一極限值，當縱向均布荷載趨向于該值時，板撓度趨向于無窮大，該值稱為臨界均布荷；當縱向均布荷載超過臨界值后，頂板將會產生潰屈破壞[2]。

臨界應力：影響臨界應力的主要因素是跨厚比，其次是彈性模量和泊松比。跨厚比體現了層面間距和巷道跨度的關系，層面和節理的分布以及工程尺寸是影響頂板穩定性最重要的因素。

煤幫穩定性：應用彈性基礎梁理論和極限平衡理論推導了煤幫塑性區寬度和煤幫水平位移的表達式，進而分析得出加強頂板和兩幫支護都能夠提高煤幫穩定性。煤幫穩定性的因素較多，這里主要探討容易實現人工控制的一些因素對煤幫穩定性的影響，它們分別是煤幫支護力和頂板巖梁的剛度[3-4]。

2.2 復合頂板煤巷變形破壞原因

該礦井10201順槽巷道頂板為典型的復合頂板煤巷。原設計采用普通樹脂錨桿、錨網及工字鋼棚的聯合支護。分析頂板失穩、巷道變形破壞原因如下。

復合頂板巖層的早期變形沒有得到有效地控制，而產生這種情況的原因是錨桿支護不及時和錨桿支護的主動支護作用沒有發揮。存在軟弱夾層的復合頂板，錨桿與圍巖達不到耦合，不能有效承載圍巖應力。當巷道開挖后，復合頂板可視為簡支組合梁，由三向受力轉變為二向受力，由于普通錨桿無預緊力，不能使得頂板由二向受力在最短時間內轉變為三向受力，復合頂板發生不均勻塑性變形而彎曲離層；當頂板變形達到臨界值時，復合頂板會發生剪切錯動，離層整體下垮，不能有效控制圍巖變形[5]。

架棚支護時，工字鋼頂梁與巷道圍巖之間存在一定的間隙，架棚支護的初撐力很小，不能對圍巖的早期變形及頂板的撓曲下沉進行有效的約束。當圍巖的變形達到一定的數值后，支架的作用力才逐漸增加，由于支架的承載能力增長緩慢，支架并不能有效的限制圍巖變形，復合頂板持續撓曲下沉，圍巖的自承能力顯著降低，頂板離層開裂，頂板淺部巖體形成松動圍巖壓力，多數情況為膨脹動荷載與松動靜荷載聯合作用在支架頂梁上，頂板深部巖體持續變形；砂質、鋁質泥巖底板，巷道開挖后遇水軟化、膨脹，棚腿受垂直壓力和水平壓力作用而主要發生向下、向內的位移而失穩，最終導致礦工鋼支護失效以及巷道的跨落與破壞。

3 支護參數設計

3.1 理論依據

根據傳統的錨桿支護理論，對于復合頂板較厚的矩形回采巷道，應該用組合梁理論予以解釋。結合上述復合頂板變形破壞機理和原因分析，復合頂板煤巷穩定性控制的途徑[6]。

錨桿的加固作用：在復合頂板圍巖中，發揮錨桿的組合加固作用，能大大減小圍巖變形和彎張應力，加固圍巖提高其自穩自承能力的作用。

復合頂板的支護：復合頂板的支護應該對錨桿施加較大的預緊(應)力，將錨固范圍內頂板巖層壓緊，增大巖層間的摩擦力，阻止錨固區各巖層間的離層及層間錯動，提高厚層復合頂板的整體強度，加強厚層復合頂板的整體抗彎剛度，在巷道頂板形成具有一定厚度、強度及抗彎剛度的組合梁，使錨固體共同變形，形成一個整體承載結構，共同支承圍巖載荷，從而能有效地控制復合頂板的早期變形[7]。

加固兩幫：提高復合頂板煤巷兩幫支護強度和煤體殘余強度，加固兩幫是控制復合頂板煤巷圍巖變形的有效技術途徑。一定范圍內支護阻力與圍巖變形量呈負指數關系，提高支護阻力可大大減少圍巖變形量，有利于巷道圍巖穩定[8]。

3.2 錨桿規格選擇

10201運輸順槽頂板和兩幫都選用規格為HRB335、φ22 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼錨桿。HRB335左旋螺紋鋼錨桿破斷載荷不小于180 kN，延伸率不小于20.3%，尾部螺紋均采用滾絲機加工，長度不小于120 mm。錨桿采用樹脂藥卷錨固，每根錨桿使用1支CK2835和1支Z2850樹脂藥卷錨固，錨桿配套使用半球形墊圈、樹脂減摩墊圈、快速安裝螺帽。碟型鋼托盤規格：120 mm×120 mm×10 mm，要求托盤厚度不得小于10 mm。

3.3 錨索規格選擇

根據該煤礦頂板巖性特征和地質情況，選用長度約為5～7 m的小孔徑錨索。預應力錨索的主要部件為鋼絞線、錨具和錨固劑。鋼絞線的選用要求為高強度、韌性好、低松弛，實現自身攪拌樹脂藥卷快速安裝。根據10201運輸順槽和回風順槽的地質及力學參數和數值模擬結果，確定所掘10201運輸順槽和回風順槽選用規格為φ18.9 mm×6 300 mm。

3.4 具體支護方案

10201運輸順槽巷掘進斷面為4 000 mm×2 900 mm，沿煤層頂板掘進。

頂板：用網孔大小為50 mm×50 mm的菱形金屬網護頂，錨索加強支護。鋼筋梯子梁使用φ12 mm的鋼筋焊接，菱形金屬網采用10#鍍鋅鐵絲編制。選用規格φ22 mm×2 400 mm的樹脂錨桿，每排4根錨桿，間排距為1 100 mm×1 000 mm，樹脂藥卷錨固(CK2335、Z2360各1支)，碟形托盤尺寸規格120 mm×120 mm×10 mm、配合半球形墊圈和快速安裝螺帽。頂板錨索規格為φ18.9 mm×6 300 mm的小孔徑預應力錨索，間排距為1 400 mm×2 000 mm，樹脂藥卷錨固(CK2335、Z2360各2支)，碟形鋼板托盤尺寸規格為300 mm×300 mm×16 mm、配套鎖具、調心球形墊圈。

兩幫支護：用網孔大小為50 mm×50 mm的菱形金屬網護幫。該金屬網由10#鍍鋅鐵絲編制。選用規格為φ22mm×2 000 mm的錨桿，每排6根，間排距為1 000 mm×1 000 mm，樹脂藥卷錨固(CK2335、Z2360各1支)，配用尺寸規格為120 mm×120 mm×10 mm的碟形托盤、半球形墊圈和快速安裝螺帽。巷道支護斷面如圖1所示，單位為mm。

a-剖面圖；b-俯視圖圖1 巷道支護斷面圖

4 現場支護效果及效益分析

4.1 現場支護效果

改進方案后，對10201運輸順槽巷變形破壞情況進行了礦壓觀測，為驗證試驗巷道錨桿的預緊效果，采用相應的扭矩扳手和壓力表，得到扭矩與錨桿預緊力的關系。結果為：當錨桿扭矩分別為200 N·m、250 N·m、300 N·m時，錨桿預應力分別為30 kN、40 kN、50 kN。根據錨桿支護施工質量規范，錨桿的預緊力應達到30 kN。通過現場監測，在施工完成的100 m巷道中，頂錨桿及幫錨桿的預緊力均達到了30 kN以上，液壓枕穩定讀數均在50 kN以上。同時在巷道內設置了礦壓觀測，對巷道兩幫、頂底板的變形移近量進行監測，監測結果如圖2所示，結果顯示巷道圍巖變形量大幅降低，巷道頂板穩定性增強。因遇地質條件發生變化和施工技術水平問題，巷道也存在少量維修情況，從現場情況來看，巷道維修率約為5%左右，聯合支護取得較好效果。

圖2 10201運輸順槽巷道表面變形曲線

4.2 經濟效益分析

在原有支護方式下進行優化后，采用新方案進行施工，先對這兩種方案的經濟效益進行分析，原設計方案錨桿間排距800 mm×800 mm，錨索間排距為1 400 mm×1 000 mm，并配合礦工鋼聯合支護。新設計方案錨桿間排距1 100 mm×1 000 mm，錨索間排距為1 400 mm×2 000 mm。根據兩種支護設計的參數，在材料單價相同的條件下測算，費用匯總見表1。

表1 10201運輸順槽兩種支護方案每米費用匯總

對比2種不同支護方式每米費用消耗，新方案每米初次支護費用、維護費用均降低達2 874.56元。因此，10201運輸順槽(設計長度1 000 m)新支護方案較原方案節省費用280余萬元。

5 結論

(1)以10201運輸順槽復合頂板煤巷為例，根據工程地質資料和現場實測情況分析，復合頂板煤巷變形破壞的原因在于，不僅普通錨桿無預緊力，錨桿與圍巖達不到耦合，錨桿支護不及時和錨桿支護的主動支護作用沒有發揮，而且架棚支護的初撐力小、承載能力增長緩慢，不能有效承載圍巖應力，復合頂板巖層的早期變形沒有得到有效地控制。

(2)復合頂板煤巷支護，應本著及時、早強的原則進行。對錨桿施加較大的預緊(應)力，盡早進行錨索支護，在巷道開挖后短時間內使頂板形成具有一定厚度、強度及抗彎剛度的組合梁，使錨固體共同變形并整體承載，有效控制復合頂板的早期變形。

(3)提高復合頂板煤巷兩幫支護強度和煤體殘余強度，加固兩幫是控制復合頂板煤巷圍巖變形的有效技術途徑。

(4)在復合頂板煤巷錨桿作用機理分析和研究試驗的基礎上，采用錨桿—錨索聯合支護的方案，確定了相應錨桿、錨索及配套支護材料的支護參數。

(5)10201運輸順槽巷道支護試驗證明，復合頂板錨桿支護設計是可行的。不僅改善了巷道維護狀況、提高巷道安全施工效率、降低了巷道掘進與維護成本，體現了較好的安全經濟效益，而且為類似復合頂板煤巷支護提供了可靠的理論依據和技術途徑。