復合頂板松軟煤層巷道破壞機理及高預應力支護技術研究

＊楊 超

（山西汾西中興煤業有限責任公司 山西 030500）

復合頂板管理工作屬于巷道支護的重點部分，可通過高預應力衍架結構避免頂板發生變形問題，聯系復合頂板松軟煤層巷道破壞機理分析，實行力學模型系統支護設計，同時應用高預應力支護技術處理保證圍巖的穩定性。

1.工作面基本情況概述

11-0031巷在井下+800m，埋深、最大水平主應力、最小水平主應力、垂直應力分別為：285m、8.6MPa、4.46MPa、6.68MPa。地應力場處于量值上為地應力區。巷道順著11#煤頂板掘進位置，煤層的厚度約為2.5m。11#煤頂底板巖性情況：

（1）埋深276.5m、層厚為1m，巖石名稱為9#煤層，巖性：9#煤層、薄煤層，而且結構比較簡單；

（2）埋深280.1m、層厚為1.2m，巖石名稱為泥巖，巖性：泥巖、灰黑色、含有植物化石；

（3）埋深285m、層厚為1.2m，巖石名稱為11#煤層，巖性：11#煤層、中厚煤層、結構相對復雜；

（4）埋深290.8m、層厚為2m，巖石名稱為泥巖、灰黑色、存在植物化石；

（5）埋深295.6m、層厚為1.6m，巖石名稱為泥巖，巖性：泥巖呈灰黑色，具有植物化石；

（6）埋深296.6m、層厚為3.02m，巖石名稱為K1砂巖，巖性：K1砂巖呈灰白色，質地堅硬。

通過工程類比法、錨桿支護理論分析方法，使得巷道斷面確定為矩形，掘寬4.5m×掘高3m，工作面順著11#煤層頂板掘進，頂板通過錨網和鋼帶進行錨索支護。其中頂帽選擇增強錨桿Φ20mm×2.5mm，間排距為800mm×800mm；頂錨索選擇鋼絞線Φ21.5mm×8mm，間排距為1500mm×2000mm，間隔5m施工一組到K2灰巖＞1.2m。錨索托盤選擇22#槽鋼匹配180mm×180mm×10mm平鋼板，另外選擇2條樹脂錨固劑。

2.復合頂板松軟煤層巷道破壞的主要機理

圖1 頂板0.8m破碎情況

圖2 頂板1.2m破碎情況

工作面掘進的過程頂板無法保持平整、完整，而且容易發生迎頭隨掘隨落情況，平均冒落高度約為0.6m。巷道內局部存在錨索外露、金屬網為銹蝕的狀態，錨索托盤變形嚴重且頂板離層、破碎、可見網包，兩幫比較完整、原支護條件無法達到巷道支護強度的相關標準[1]。現場多通過架設一梁三柱的處理方式，達到補強支護的目的，在控制巷道變形方面的優勢突出，不足：會在不同程度對后期整體支護效果造成直接影響，不利于順利執行巷道管理工作。待巷道開挖巷道圍巖應力得以再次分布，頂板內部受到嚴重破壞，這時可使用窺視儀觀察內部受到破壞情況，發現頂板前部1.2m內煤巖體存在離層、破碎圍巖、隨裂隙發育。巷道不斷推進的同時，裂隙、破碎帶發育加深，并且松動的范圍加大。

(1)頂板淋水破壞機理

因頂板距離K2灰巖/其他含水層的距離非常近，而且局部頂板為裂隙發育，因此施工錨索過程中會逐漸形成導水孔，這時安裝錨索錨固劑遇水后物理性質受到嚴重破壞，而這也是造成錨桿錨固力降低、錨索錨固力降低的基本原因，無法確保整體支護的效果[2-3]。除此之外，水關系到錨固劑凝結的速度，發生錨固劑流失、錨索錨固長度下降、錨桿錨固長度降低的概率提升。泥巖浸水圍巖內部結構變化非常大、內聚力下降，淋水和風干情況下圍巖強度受到直接影響，且裂隙及松動圈的范圍不斷加大。淋水中存在煤層硫份錨桿、錨索以及鋼筋網等腐蝕問題嚴重，金屬構件力學性能受到直接影響，這時不能確保支護結構的穩定性。

(2)支護材料選擇破壞機理

錨索托盤使用的為22#槽鋼配套平板鋼，因頂板表面無法保持平整的狀態、錨索施工作業處于槽鋼孔中心位置，因而錨索傾斜的角度是比較大的，這時錨索外露部分會發生彎剪破壞問題，對于錨索預緊力擴散造成不同程度威脅。同時，槽鋼孔、鋼板屬于人工氧焊，成孔不能達到平滑的狀態，易于產生剪切錨索的狀況。平托板不能調心產生錨索受力偏載問題的可能性較大，嚴重情況還會導致錨索切斷問題發生。

(3)預緊力設定破壞機理

設計中錨索預緊力為150kN，考慮到錨索張拉處理后部分預緊力喪失，直徑Φ21.5mm錨索索體破斷載荷約為500kN，錨桿錨索預緊力初始值中要求預緊力為桿體屈服強度45%左右，錨索預緊力為初始預緊力桿體屈服強度60%左右，可見錨索設計預緊力更低，則無法很好的發揮出錨索懸吊的功能[4]。

(4)巷道圍巖性質破壞機理復合頂板存在顯著層狀的特性，鄰近巖層間在厚度、彈性模量方面差異性較大，所以致使層間粘結力不同程度下降，在擾動因素影響下順著夾層產生水平方向剪切滑移問題、垂直方向拉伸離層受到嚴重破壞問題。存在數個軟弱夾層/煤層頂板，軟弱夾層/煤線厚度非常小，節理發育、裂隙發育均良好，高應力條件下產生層間剝離的可能性較大。泥巖作為不穩定巖層，待巷道開挖后圍巖應力保持平衡，在頂板自身承載力、風化條件下巷道局部應力比較集中，故而會造成變形、受到破壞的情況。

3.復合頂板松軟煤層巷道高預應力支護技術的應用探討

(1)完善相關支護參數

長錨索預應力擴散的效果并不理想，所以不能提高支護的效果，這時建議通過縮短錨索長度的方式處理。按錨索破斷載荷、應力受損情況，明確錨索預緊力約為220kN，錨索錨固區固定于巖層厚度較大、穩定性較佳巖層中，避免造成不良的影響。同時選擇長錨索作為骨架，選擇短錨索/錨桿對淺部養成不連續面支護方式加以有效控制，從而提高巷道的穩定性。頂板沒有穩定性巖層，則需確保錨索長度＞自然平衡拱1.8～2.2m。另外，建議選擇力學性能和錨索強度配套的拱形高強度錨索托盤，拱高為65mm，并應該安裝高強度調心球墊。

(2)嚴格控制頂板淋水情況

巷道變坡點/頂板存在破碎及裂隙的時候，頂板發生淋水的可能性非常大，進到頂板淋水區域需布設疏水鉆孔防水，鉆孔使用的為全液壓鉆機、鉆桿、鉆頭，可以在巷道中心位置順著巷道掘進的方向施工疏水孔。鉆孔和頂板的夾角、鉆孔和巷道的夾角分別為：45°、0°，深度在12m左右，可施工2個疏水孔將間距設置為4.5m。實行放水處理后頂板的淋水問題得以改善，放水的目的為降低水對于泥巖的弱化，并且利于提升錨固劑錨固的效果[5-6]。在實行錨索施工作業過程中，錨索端頭禁止施工到K2灰巖，頂板發生淋水狀況后經2條樹脂錨固劑——1條樹脂錨固劑轉變，可將樹脂錨固劑置于孔底位置，究其原因為超快型錨固劑可在較短的時間達到凝固的目的，有助于加大錨固長度有效控制端頭錨固劑的流失，滿足錨索預緊力的相關要求。

(3)有效控制工程的質量

在巷道開挖初期圍巖不易發生變形問題，建議及時安裝錨網索支護防止發生圍巖變形情況，這個過程要求認真遵循安全生產相關標準、規程作業，以此使得所有支護參數達到標準。而為提高圍巖支護的整體效果，在支護設計時應構建地質力學評估體系、初始設計體系、井下監測體系、日常監控體系等。除此之外，需做好數據觀測、收集、分析，以及信息反饋、現場執行和回饋等管理工作，主要的目的為達到動態監測頂板變化的目的，對礦壓變化的規律加以深入分析，不斷完善支護的設計[7]。

圖3 工程質量控制

4.結語

高預應力支護技術的應用，利于有效改善支護環境，確保巷道圍巖的安全、穩定及支護的整體效果，所以需要優化支護參數、避免頂板淋水、提高工程施工質量，進而充分發揮出高預應力支護技術的作用。