深部礦井復(fù)合頂板應(yīng)力分析及支護(hù)措施

宋乃彬

（山西晉煤集團(tuán)沁秀公司， 山西 晉城 048006）

引言

隨著煤礦開采自動(dòng)化、智能化的不斷普及，開采深度也在不斷增加。煤巖體的應(yīng)力環(huán)境、變形方式也存在很大差異，深部礦井下復(fù)合頂板的支護(hù)成為當(dāng)前煤礦開采的重要課題。煤巖深部巖體軟化嚴(yán)重，圍巖應(yīng)力呈現(xiàn)非線性集中，頂?shù)装鍩o(wú)法形成有效承載體，最終出現(xiàn)多層次離層、局部冒落發(fā)育成煤層裂隙場(chǎng)，導(dǎo)致頂?shù)装鍑?yán)重變形破壞。我國(guó)部分礦井曾采用應(yīng)力解除、水壓致裂等方法進(jìn)行過(guò)地應(yīng)力分析，但由于缺乏快速、方便的測(cè)試儀器和配套機(jī)具，煤巖體地質(zhì)力學(xué)測(cè)試過(guò)程繁瑣耗時(shí)，導(dǎo)致許多礦區(qū)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)全面、系統(tǒng)的煤巖體地質(zhì)力學(xué)測(cè)試工作，巷道布置與支護(hù)設(shè)計(jì)隨意性大、可靠性差，導(dǎo)致部分巷道永久支護(hù)失效，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成很大制約。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況

岳城煤礦一盤區(qū)3 號(hào)煤層平均厚度2.6 m，傾角為2°～6°，平均為4°。1307 工作面東部為新華村回風(fēng)井，西部為南七盤區(qū)，北部為南大巷，南部為礦井保護(hù)煤柱。該工作面底板標(biāo)高為1 010～1 079 m，蓋山厚度為487～649 m。

工作面第一切眼與第一停采線之間區(qū)段傾斜長(zhǎng)度175 m，走向長(zhǎng)度400 m。第一停采線與第二切眼之間區(qū)段傾斜長(zhǎng)度89.5 m，走向長(zhǎng)度448 m。第二切眼與第二停采線之間區(qū)段傾斜長(zhǎng)度175 m，走向長(zhǎng)度1 280.6 m。工作面頂?shù)装鍘r性如表1。

如表1 所示，1307 工作面煤層的上覆巖層，從直接頂?shù)嚼享敒檐浫? 堅(jiān)硬型，再往上為軟弱- 堅(jiān)硬型的相間復(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(chǎng)來(lái)看，工作面掘進(jìn)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)力場(chǎng)數(shù)值模擬、錨索受力狀態(tài)分析等相關(guān)研究，并提出合理的巷道支護(hù)對(duì)策，保證工作面回采安全。

表1 1307 工作面煤巖結(jié)構(gòu)及巖性特征

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(duì)頂板圍巖產(chǎn)生“剪切”作用。巷道煤體強(qiáng)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)緊力施加較小，一般在120 kN 左右，巷幫煤體整體支護(hù)強(qiáng)度偏低；巷道兩幫整體移近的同時(shí)，勢(shì)必會(huì)給巷道頂板巖層產(chǎn)生“剪切力”，造成頂板巖層之間相互錯(cuò)動(dòng)，頂板巖層相互錯(cuò)動(dòng)出現(xiàn)壓力釋放區(qū)，使頂幫圍巖整體完整性遭到破壞，頂板整體完整性在內(nèi)部受到破壞，頂板的支護(hù)強(qiáng)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(cuò)動(dòng)，這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(cuò)動(dòng)形成水平剪應(yīng)力，水平剪應(yīng)力在巷道頂板集中，對(duì)頂板維護(hù)產(chǎn)生嚴(yán)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(cuò)動(dòng)的趨勢(shì)，而弱膠結(jié)的層狀巖體在較大水平應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)，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(dòng)影響，巖體破碎程度會(huì)加劇，如圖1 所示。

圖1 復(fù)合層狀巖體相互錯(cuò)動(dòng)錨索破壞示意圖

錨索破斷造成頂板在弱支護(hù)情況下圍巖短時(shí)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(cè)方案不能及時(shí)監(jiān)測(cè)錨索破斷，無(wú)法對(duì)破斷錨索處及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)打，巷道支護(hù)強(qiáng)度低，造成巷道頂板在支護(hù)強(qiáng)度不足處變形破壞嚴(yán)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(shí)，需及時(shí)調(diào)整錨桿錨索排距至1 000～1 100 mm 以保證預(yù)應(yīng)力連續(xù)有效擴(kuò)散，巷道條件復(fù)雜時(shí)采用頂板全錨索支護(hù)以加強(qiáng)有效控制深度。

3 含節(jié)理頂板數(shù)值模擬分析

根據(jù)1307 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?xiàng)l件下頂板不同裂隙面寬度（裂隙寬度10 mm、50 mm、100 mm 及錨桿錨固范圍外四種情況），預(yù)應(yīng)力300 N·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(chǎng)分布特征的方面來(lái)分析復(fù)合頂板對(duì)錨桿錨索支護(hù)的影響。其垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力模擬結(jié)果見(jiàn)圖2、下頁(yè)圖3。

頂板不同裂隙尺度下巷道變形量如下頁(yè)表2。

從應(yīng)力場(chǎng)分布及變形數(shù)據(jù)來(lái)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10 mm 時(shí)，最大垂直應(yīng)力為12.38 MPa，最大水平應(yīng)力為16.08 MPa；裂縫寬度為50 mm 時(shí)，最大垂直應(yīng)力為12.57 MPa，最大水平應(yīng)力為16.22 MPa；裂縫寬度為100 mm 時(shí)，最大垂直應(yīng)力為12.79 MPa，最大水平應(yīng)力為16.31 MPa。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100 mm 時(shí)，最大垂直應(yīng)力為12.26 MPa，最大水平應(yīng)力為16.64 MPa。

圖2 支護(hù)范圍內(nèi)不同裂隙寬度條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力（Pa）分布

圖3 支護(hù)范圍內(nèi)不同裂隙寬度條件下巷道圍巖水平應(yīng)力（Pa）分布

表2 不同裂隙尺度下巷道變形量

預(yù)應(yīng)力為300 N·m 時(shí)，從位移場(chǎng)分布來(lái)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10 mm 時(shí)，頂板最大下沉量為44.6 mm，最大底鼓量為33.3 mm，兩幫最大移近量為91.6 mm；裂縫寬度為50 mm 時(shí)，頂板最大下沉量為49.1 mm，最大底鼓量為33.1 mm，兩幫最大移近量為94.4 mm；裂縫寬度為100 mm 時(shí)，頂板最大下沉量為53.5 mm，最大底鼓量為32.8 mm，兩幫最大移近量為96.7 mm。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100 mm 時(shí)，頂板最大下沉量為42.3 mm，最大底鼓量為33.4 mm，兩幫最大移近量為90.5 mm。

當(dāng)巷道頂板存在軟弱結(jié)構(gòu)面或裂隙時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)將發(fā)生顯著變化，由于裂隙處無(wú)法進(jìn)行應(yīng)力的傳遞，從而對(duì)應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)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(chǎng)和位移場(chǎng)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(yuǎn)，對(duì)巷道變形的影響程度越小。因此需要對(duì)錨桿錨索排距進(jìn)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(kuò)散要求。

4 支護(hù)措施

在以上數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)含節(jié)理、軟弱夾層的復(fù)合頂板條件提出以下支護(hù)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(hù)范圍外時(shí)，錨桿支護(hù)作用仍可有效發(fā)揮，調(diào)小錨桿錨索排距至1 000～1 100 mm。加強(qiáng)錨索錨固力及預(yù)緊力檢測(cè)，不合格時(shí)及時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)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(hù)范圍內(nèi)時(shí)，且建議采用頂板全錨索支護(hù)，長(zhǎng)度5 300 mm 左右，排距1 200 mm，同時(shí)增加幫錨索數(shù)量至每排2 根，進(jìn)一步加強(qiáng)煤幫變形控制，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錨固范圍巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適當(dāng)調(diào)整。加大初始預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度，控制淺部圍巖的錯(cuò)動(dòng)膨脹變形。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)1307 工作面復(fù)合頂板條件進(jìn)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(chǎng)與圍巖變形變化特征，提出合理的支護(hù)對(duì)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(hù)范圍外時(shí)調(diào)小錨桿錨索排距至1 000～1 100 mm，當(dāng)節(jié)理、軟弱夾層等復(fù)合巖層主要分布在錨桿支護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，建議采用頂板全錨索支護(hù)，長(zhǎng)度5 300 mm 左右，排距1 200 mm，同時(shí)增加幫錨索數(shù)量至每排2 根，進(jìn)一步加強(qiáng)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(hù)參數(shù)能滿足生產(chǎn)和安全要求。