軟弱煤巖復(fù)合頂板巷道破壞機(jī)理與支護(hù)技術(shù)

孫健新

（山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原030031）

煤系地層多為沉積形成的層狀巖體，因此煤礦巷道頂板通常具有典型的復(fù)合頂板特征[1-4]，層狀賦存頂板易發(fā)生離層和垮落[5-8]，尤其是頂板軟弱時(shí)，巷道維護(hù)極為困難，冒頂事故常常發(fā)生。為此，許多專家和學(xué)者對復(fù)合頂板的變形破壞機(jī)理和支護(hù)技術(shù)做了大量的研究。在支護(hù)技術(shù)方面：柏建彪等[9]通過分析極軟煤層復(fù)合頂板巷道破壞特點(diǎn)，提出了注漿機(jī)全長錨桿支護(hù)的支護(hù)技術(shù)，明顯改善了圍巖的強(qiáng)度；孟慶彬等[10]采用“梁-拱錨固結(jié)構(gòu)”對軟弱破碎復(fù)合頂板煤巷進(jìn)行支護(hù)，取得了較好的應(yīng)用效果；李昂等[11]針對軟弱復(fù)合頂板穩(wěn)定性問題，提出了錨索網(wǎng)梁耦合支護(hù)技術(shù)優(yōu)化方案；張永安等[12]通過數(shù)值模擬優(yōu)化了復(fù)合頂板支護(hù)方式。在變形破壞機(jī)理方面：李東印等[13]研究了復(fù)合頂板巖層所受軸向壓力與頂板變形破壞之間的關(guān)系；賈蓬等[14]通過RFPA模擬軟件研究了復(fù)合頂板水平側(cè)壓力與厚跨比對巷道頂板的破壞影響；陳曉祥等[15]認(rèn)為傾斜復(fù)合頂板最大下沉位置在靠近巷道底板一側(cè)，并分析了巖層彈性模量、巖層厚度等因素對頂板下沉量的影響。以上研究在一定程度上發(fā)展了軟弱煤巖復(fù)合頂板穩(wěn)定性控制技術(shù)，但上述僅從1 個(gè)或者2 個(gè)方面來研究軟弱煤巖復(fù)合頂板變形破壞機(jī)理及控制技術(shù)仍舊具有一定的局限性，此外由于軟弱煤巖互層的復(fù)合頂板的特殊性，工程條件不同時(shí)，簡單的通過工程類比來選擇優(yōu)化支護(hù)方案并不可取，因此該類巷道變形控制機(jī)理仍需深入研究。為此通過現(xiàn)場調(diào)查、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬來研究軟弱煤巖復(fù)合頂板破壞機(jī)理，并結(jié)合破壞機(jī)理提出相應(yīng)支護(hù)優(yōu)化技術(shù)，為類似巷道支護(hù)提供理論和技術(shù)借鑒。

1 巷道工程概況

某煤礦可采16#煤均厚8.8 m，煤質(zhì)穩(wěn)定，傾角8°～18°，被炭頁巖分隔成4 層，各分層之間厚薄約0.1～0.9 m，圍巖穩(wěn)定性控制較為困難。目前所開采煤層巷道沿16#煤層底板掘進(jìn)，偽頂為煤與炭頁巖互層，厚約0.5 m，完整性差；直接頂為易垮落的煤及夾矸，厚度達(dá)6.0 m 左右；底板圍巖巖性較好，為5.3 m 細(xì)砂巖。16402 綜放工作面回風(fēng)巷斷面為斜頂矩形，處在該煤層中，巷道采用錨桿+金屬網(wǎng)+W 鋼帶+錨索聯(lián)合支護(hù)形式，原支護(hù)方案如圖1。

圖1 原支護(hù)方案

2 回風(fēng)巷變形破壞特點(diǎn)

2.1 現(xiàn)場調(diào)查

1）現(xiàn)場變形破壞特征。16402 工作面回風(fēng)巷煤層頂板分層較多，煤層較厚，是典型的復(fù)合頂板，在原支護(hù)形式下，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)頂板出現(xiàn)冒頂，大面積離層，兩幫變形破壞嚴(yán)重，部分地區(qū)金屬網(wǎng)被拉破，托盤彎曲變形嚴(yán)重，鋼帶斷裂等現(xiàn)象。

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)

1）圍巖強(qiáng)度測試。取頂板炭頁巖、底板細(xì)砂巖、16#煤分別在CMT 5305 試驗(yàn)機(jī)上做單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)顯示上述3 種巖體單軸抗壓強(qiáng)度分別為25.64、29.20、3.46 MPa，從試驗(yàn)可以看出煤的承載性能非常差，細(xì)砂巖強(qiáng)度較好，大部分炭頁巖具有較好的承載能力，但部分炭頁巖抗壓強(qiáng)度較低，有的甚至比煤的承載能力還差。

圖2 不同時(shí)期頂板破壞示意圖

2）頂板炭頁巖成分分析。通過X 射線衍射儀對頂板夾矸炭頁巖中礦物成分進(jìn)行了分析，測試結(jié)果為炭頁巖成分以高嶺石為主，并含有伊利石、菱鐵礦和綠泥石等。其中高嶺石吸水性強(qiáng)，遇水后發(fā)生泥化現(xiàn)象，能弱化巷道頂板的穩(wěn)定性，伊利石在水中易發(fā)生混濁現(xiàn)象，吸水后變成糊狀，是引起變形甚至冒頂?shù)闹饕蛩刂?，同時(shí)，菱鐵礦的脆性和硬度較高，對風(fēng)化作用十分敏感，經(jīng)過風(fēng)化作用，強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

3 巷道變形及破壞機(jī)理

3.1 破壞原因分析

1）高應(yīng)力導(dǎo)致的圍巖流變。垂直應(yīng)力水平高，利用水壓致裂法測得16402 工作面最大水平主應(yīng)力為σmax=21.0 MPa，中間主應(yīng)力σV=13.16 MPa，最小主應(yīng)力σmin=9.0 MPa，在長期高應(yīng)力作用下，圍巖表現(xiàn)出明顯的流變特性，通過對圍巖變形位移監(jiān)測，在開掘20～60 d 巷道頂板最大變形由159 mm 增加至240 mm，同時(shí)圍巖內(nèi)部破碎區(qū)域和裂隙發(fā)育區(qū)也不斷擴(kuò)大。

2）地質(zhì)條件差。頂板淺部圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，在高應(yīng)力作用下極易發(fā)生離層。此外，頂板和幫部為煤體，圍巖抗壓強(qiáng)度低，受力極易破碎，夾矸巖層強(qiáng)度變化大，夾矸巖層強(qiáng)度低時(shí)，降低了圍巖的整體強(qiáng)度，巷道圍巖不穩(wěn)定。

3）水的影響。由于頂板在施工過程中長期存在淋水現(xiàn)象，頂板夾矸吸水，同時(shí)風(fēng)化作用弱化了頂板強(qiáng)度，在高應(yīng)力作用下頂板出現(xiàn)下沉和離層。

4）圍巖結(jié)構(gòu)不合理。由于軟弱煤巖復(fù)合頂板存在不穩(wěn)定、巖層巖性軟弱、結(jié)構(gòu)面多發(fā)等特點(diǎn)，故而此類頂板易形成應(yīng)力集中，發(fā)生離層破壞現(xiàn)象。16402 回風(fēng)巷巷道為斜頂矩形，頂板肩角處易形成應(yīng)力集中導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)體破壞。

3.2 破壞力學(xué)機(jī)理

根據(jù)材料力學(xué)，將上部巖梁簡化為組合巖梁分析，巷道軸向取單位長度，對于受水平荷載p0的巖層，其最大撓度wmax可表示為[16]：

服裝PDM系統(tǒng)使用功能模塊化設(shè)計(jì)的思路，可以很好的適應(yīng)多種運(yùn)作模式，提升PDM系統(tǒng)產(chǎn)品化程度。企業(yè)在實(shí)施應(yīng)用過程中無需重組運(yùn)營架構(gòu)，甚至無需改變產(chǎn)品開發(fā)人員的工作習(xí)慣，選用適合企業(yè)運(yùn)營架構(gòu)需求的PDM模塊進(jìn)場實(shí)施即可。模塊化設(shè)計(jì)的PDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其在各類服裝企業(yè)尤其是中小型服裝企業(yè)的適用性得到進(jìn)一步提升

式中：E 為巖層彈性模量；q0為巖層所受垂直荷載；l 為巷道跨距；I 為巖層慣性矩。

若q0、p0保持不變，通常I、l 也不變，則最大撓度僅與巖層彈性模量相關(guān)，巖層軟弱時(shí)，彈性模量小，因此其最大撓度也最大，軟弱夾層的存在致使各巖層撓度不同，頂板產(chǎn)生離層和破壞。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)與效果分析

4.1 優(yōu)化技術(shù)方案確定

根據(jù)以上巷道變形破壞機(jī)理的分析，對于軟弱煤巖復(fù)合頂板巷道變形破壞可以從以下3 個(gè)方面來進(jìn)行控制。

4.1.1 改善圍巖環(huán)境

由式（1）可知，減小巖層最大撓度可通過減小巖層所受垂直載荷q0和巷道跨度l 來完成，但由于巷道要滿足運(yùn)輸行人等要求，巷道下部區(qū)域無法進(jìn)行更改，因此可以通過改變頂板部分?jǐn)嗝嫘螤顏黹g接減小巖層所受垂直載荷q0和巷道跨度l。

4.1.2 控制淋水

首先合理布置疏水鉆孔，以減小煤巖復(fù)合頂板中水的含量，從而降低水對頂板巖體的弱化作用；其次，根據(jù)柱狀圖和鉆孔窺視圖像，錨索長度宜控制在7.3 m 內(nèi)，以防止錨索鉆孔導(dǎo)通上部含水砂巖，增加頂板的含水量。

4.1.3 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)

選擇錨桿支護(hù)參數(shù)和最佳匹配的錨桿錨索預(yù)緊力，從而保證巷道圍巖穩(wěn)定，礦井正常安全生產(chǎn)。通過上述分析，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)以及數(shù)值模擬確定了16402 回風(fēng)巷支護(hù)方案如下。

1）巷道斷面。由力學(xué)分析可知，拱形巷道頂板受力良好，可以大大減小底層頂板巖梁所受拉應(yīng)力，同時(shí)，拱形巷道在直接頂下部的巖體相當(dāng)于間接減小了巷道跨度，提供了一定的向上的支撐力，因此16402 回風(fēng)巷斷面設(shè)為直墻拱形，同時(shí)保證巷道通風(fēng)、運(yùn)輸、行人和安全生產(chǎn)的需要。

2）錨桿間距和排距。通過經(jīng)濟(jì)分析支護(hù)的材料和施工費(fèi)用以及數(shù)值模擬計(jì)算與分析，同時(shí)為提高巷道掘進(jìn)速度，將錨桿間排距均定為800 mm。

3）預(yù)緊力。通過數(shù)值模擬軟件分析對比錨桿與錨索不同預(yù)緊力下圍巖位移場和應(yīng)力場的分布特征，同時(shí)考慮現(xiàn)場施工條件，確定頂錨桿預(yù)緊力為37.5 kN、幫錨桿為28.49 kN、錨索為120 kN。

4）錨桿錨索長度根據(jù)松動(dòng)圈深度和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式確定。

5）錨桿錨索規(guī)格。頂板選取φ20 mm×2 400 mm高強(qiáng)左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配套使用半球形墊圈和減摩墊圈，快速安裝的高強(qiáng)螺帽；幫部φ18 mm×2 000 mm 左旋螺紋鋼錨桿；錨索為φ21.6 mm×7 300 mm，每隔2 排錨桿打1 排錨索，間排距為1 600 mm×1 600 mm。支護(hù)參數(shù)如圖3。

圖3 支護(hù)示意圖

6）加強(qiáng)支護(hù)。對頂板部分區(qū)域采取高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索加強(qiáng)支護(hù)，加強(qiáng)支護(hù)錨索規(guī)格同5），錨索預(yù)緊力不少于120 kN，同時(shí)對加強(qiáng)支護(hù)錨索受力進(jìn)行監(jiān)測，保證錨索預(yù)應(yīng)力的有效施加。

4.2 技術(shù)方案數(shù)值模擬

為確定回風(fēng)巷支護(hù)方案的可行性，利用FLAC3D軟件，不考慮采動(dòng)影響，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際分別對提出的支護(hù)方案與原方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，模型大小為50 m×50 m×10 m，巖性參數(shù)見表1，得到了2 個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果如圖4。由圖4 可以看出，相比于原支護(hù)新支護(hù)方案頂板垂直位移由302 mm 降低至74 mm，幫部最大位移量由190 mm 降至66 mm，降幅十分明顯。

4.3 現(xiàn)場應(yīng)用效果檢測

為了檢測新支護(hù)方案的運(yùn)用效果，在試驗(yàn)巷道上選取3 處監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行圍巖表面位移監(jiān)測，同時(shí)通過鉆孔窺視圍巖內(nèi)部情況。

現(xiàn)場變形監(jiān)測如圖5。由圖5 可知，巷道在掘后0~10 d，頂?shù)装遄冃屋^為劇烈，約為4~10 mm/d，隨后頂?shù)装暹\(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定，最大移近量為84 mm，兩幫變形與頂?shù)装遄冃我?guī)律相同，最大移近量達(dá)61 mm，后期的收斂速率均小于1 mm/d，其變形量均能保證礦井的有效安全生產(chǎn)。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)選取

圖4 2 個(gè)方案數(shù)值模擬位移云圖

通過圍巖內(nèi)部裂隙觀測錄像可知：巷道頂板1 m 范圍內(nèi)裂隙發(fā)育程度高，存在破碎；1～3 m 范圍內(nèi)局部零星分布橫縱裂隙；3 m 范圍外圍巖完整性較好。因此巷道穩(wěn)定性較原支護(hù)好。

圖5 現(xiàn)場變形監(jiān)測

5 結(jié) 論

1）16402 回風(fēng)巷由于煤巖體強(qiáng)度相差較大，為典型的軟弱煤巖復(fù)合頂板巷道，相互之間的變形不協(xié)調(diào)，易于離層而產(chǎn)生較大的變形壓力，導(dǎo)致錨桿、錨索承受較大的變形而破斷，甚至釀成頂板事故的發(fā)生。

2）通過鉆孔測試、巖石力學(xué)試驗(yàn)和巖石成分分析可知軟弱煤巖復(fù)合頂板頂板破碎區(qū)較為發(fā)育，煤體巖石力學(xué)性能差，巖層含有遇水易膨脹，弱化圍巖的成分。

3）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際和理論分析，將原巷道形狀改為拱形，同時(shí)對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)確定了16402 回風(fēng)巷支護(hù)方案。

4）現(xiàn)場實(shí)踐表明，采用了優(yōu)化后的支護(hù)方案有效地控制了16402 回風(fēng)巷的變形破壞，保證了礦井的高效生產(chǎn)。