裕泰煤業15104工作面復合頂板巷道圍巖控制技術研究

高志偉

(陽煤集團 裕泰煤業有限公司，山西 平定 045200)

1 工程概況

陽煤集團裕泰煤業15104工作面位于井下一采區，所處水平為+510 m水平，工作面西部為礦井邊界保護煤柱和蘇家嶺村莊保護煤柱，東鄰二水平軌道巷，北鄰15102工作面(已采)，南鄰15106工作面(未掘)。工作面走向長度為141 m，傾斜長度為641 m，開采煤層為15號煤，煤層平均厚度為5.31 m，含有2層泥質夾矸，厚度為0.5 m，平均傾角4°，工作面區域直接頂為砂質泥巖與黑色頁巖互層，均厚為7.5 m，基本頂為K2石灰巖，均厚為4.4 m，含有兩層泥質夾層；底板為砂質泥巖和細砂巖。

15104工作面回風巷沿煤層底板掘進，掘進寬度×高度=4.3 m×2.7 m，由于巷道頂板為復合頂板，穩定性較差，為控制頂板巖層的變形，保障圍巖的穩定，進行圍巖支護方案的設計與研究。

2 復合頂板圍巖控制機理

影響復合頂板巷道穩定的因素眾多，主要包括巷道斷面的尺寸、頂板巖層的賦存特征、巖層間滑移面的強度等。由于復合頂板巖層間的接觸多，頂板巖層在巷道掘進和工作面回采擾動下易出現離層現象。在頂板巖層滑移面區域，易出現剪切運動，滑移面剪切運動后，頂板的穩定性會大幅降低，頂板下沉量會大幅增大?；谏鲜鎏攸c，針對復合頂板巷道，圍巖控制技術應注重以下幾個方面：①加固滑移面的抗剪強度，防止頂板巖層間剪切滑移現象的出現；②通過采用高預應力錨桿支護，有效增強復合頂板巖層間的結合力，防止巖層間出現離層現象。

1) 錨桿對滑移面的加固作用。錨桿索支護技術中，錨桿的預緊力可增強巖層滑移面摩擦阻力，且錨桿能夠將滑移面兩側的巖層組合在一起，控制巖層間的相互錯動，具體滑移面采用錨桿支護后的力學模型如圖1所示。

圖1 滑移面錨桿支護后受力示意

根據相關研究可知[1]，滑移面采用錨桿支護后的抗剪強度τbj表達式為：

τbj=τi+τbd+τbi+τbs

(1)

式中：τi為滑移面的抗剪強度；τbi為錨桿軸力沿滑移面法向抗剪強度；τbd為錨桿組合作用換算的抗剪強度；τbs為錨桿軸力沿滑移面切向抗剪強度。

根據復合頂板的特征，考慮到錨桿擴散角度的問題，一般錨桿選擇與巖層成90°安裝，但這并不是最合理的安裝角度，采用理論分析，通過對錨桿安裝角度取極值，能夠得出錨桿的最佳安裝角度θopl的表達式為：

(2)

式中：τb為錨桿橫截面上的平均剪應力；φj為滑移面的內摩擦角；φ0為錨桿單軸壓縮時煤巖體的內摩擦角；σb為錨桿的軸力；R為錨桿的長度。

由此可知，錨桿的最佳安裝角度與錨桿軸向、剪應力分布及滑移面的摩擦角有關，根據式(2)，采用Matlab軟件繪制得出直徑 20 mm的20 MnSi左旋螺紋鋼錨桿最佳安裝角度θopl與錨桿單軸壓縮時煤巖體的內摩擦角φ0之間的關系如圖2所示。

圖2 錨桿最佳安裝角與煤巖體內摩擦角的關系

由圖2可知，在煤巖體硬度增大時，隨著煤巖體內摩擦角的增大。錨桿支護中的安裝最佳角度也逐漸增大。當煤巖體內摩擦角為20°時，錨桿的最佳安裝角度為38°；當煤巖體內摩擦角增大為25°時，錨桿的最佳安裝角度為43°。根據15104工作面頂底板巖層的條件，得出直接頂砂質泥巖與黑色頁巖互層巖體的內摩擦角平均約為15°，據此確定頂角和幫角錨桿的安裝角度為35°。

2) 高預應力錨桿支護。錨桿支護體系中，預應力作為支護中的關鍵參數，決定著錨桿的支護效果，在進行錨桿與預緊力的設置時，應確保施加的預緊力能夠有效控制巖層間離層和滑動現象的出現[2-4]。根據15104工作面的地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件，對錨桿預緊力為20 kN和100 kN時圍巖附加應力場分布規律進行了分析。模擬結果見圖3。

從圖3可以看出，隨著預應力的增大，錨桿對淺部圍巖的控制效果逐漸增強，控制范圍逐漸增大。另外從圖中還能夠看出，單根錨桿預應力在圍巖中的擴散范圍有限，無法達到將頂板巖層組合到一起的目的。因此在進行支護作業時，必須設置合理的錨桿間排距，通過錨桿預應力在圍巖中的擴散疊加，達到將各個巖層組合在一起、控制圍巖穩定的目的。同時，若要使得錨桿施加的預緊力能夠有效地在圍巖中擴散，還需使用與錨桿相配套的支護構件，如托盤、鋼筋/金屬網、鋼帶、鋼筋梯子梁等，以此保障錨桿預緊力在圍巖體內的有效擴散。

基于此可知，在15104工作面回風巷進行支護作業時，應盡可能地提高錨桿的預緊力，據此確定在錨桿采用直徑為20 mm，材質為20 MnSi左旋螺紋鋼時，設置頂板錨桿預緊力為70 kN，70 kN的預緊力對應預緊扭矩為400 N·m。

圖3 附加應力場分布

3 支護方案及效果

3.1 支護方案

根據15104工作面回風巷的具體地質條件，結合復合頂板圍巖控制機理，確定回風巷采用高預應力錨桿支護技術，具體支護參數如下：

1) 頂板支護。錨桿采用規格為D20 mm×2 400 mm的高強左旋螺紋鋼，間排距為800 mm×800 mm，錨固采用樹脂加長錨固，預緊扭矩為400 N·m，頂角錨桿與巷道頂板成35°，其余錨桿均垂直頂板安設；錨索采用規格為D17.8 mm×7 000 mm的1×7股鋼絞線，間排距1 600 mm×2 400 mm，錨固方式采用樹脂加長錨固，錨固長度1 460 mm，錨索全部垂直于頂板打設，另外采用鋼筋梯子梁(D12 mm鋼筋焊制)將錨桿索有效連接，采用10號鐵絲編織的鋼筋網進行護表。

2) 兩幫支護。錨桿采用與頂板相同的錨桿，間排距為800 mm×800 mm，錨固方式同樣為樹脂加長錨固，除角錨桿與巷幫成35°布置外，其余錨桿均垂直于巷幫安設，錨桿預緊扭矩為250 N·m，通過鋼筋梯子梁(D12 mm鋼筋焊制)將同一斷面錨桿連接為一個整體，另外為保障巷幫表面圍巖體的穩定，采用10號鐵絲編織的鋼筋網進行護表。

具體回風巷高預應力支護方案如圖4所示。

圖4 巷道支護示意(mm)

3.2 支護效果

在15104工作面回采期間，在回風巷超前工作面150 m的位置處布置巷道表面位移監測站，并進行持續監測，得出巷道表面位移與回采工作面距離間的關系曲線，如圖5。

圖5 回采期間巷道圍巖表面位移曲線

由圖5可知，工作面回采期間，在測站與工作面的距離大于100 m時，巷道圍巖基本保持穩定，變形量較?。划敎y站與工作面之間的距離小于100 m時，巷道圍巖開始逐漸變形，且隨著回采的推進，圍巖變形速率逐漸增大，當工作面回采至距離測站10 m時，頂底板和兩幫移近量分別為98 mm和153 mm?；谏鲜鰯祿芍?，回風巷在現有支護方案下，圍巖變形量較小，保障了巷道圍巖的穩定，回采巷道的變形滿足在整個服務期間的使用要求。

4 結 語

根據15104工作面回風巷復合頂板特征，通過分析錨桿對滑移面的加固作用及高預應力錨桿支護作用，確定出回風巷的錨桿安裝角度為35°，頂板錨桿預緊扭矩為400 N·m，并進行了高預應力錨桿支護方案的設計，根據工作面回采期間的表面位移監測結果得出，回風巷在該種支護方案下變形量較小，滿足回采巷道的使用要求。