辛置煤礦10-412 運(yùn)輸順槽含軟弱夾層頂板支護(hù)技術(shù)研究

王紅敏

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031400）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司辛置煤礦10-412 工作面位于東四皮帶巷右翼，北部為10-410 兩巷，東部為10-406 工作面采空區(qū)，南部為10-435 設(shè)計(jì)工作面，西部為10-410A 工作面采空區(qū)。工作面開采10#煤層，煤層厚度1.95～2.78 m，均厚為2.6 m，煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。10-412 運(yùn)輸順槽斷面為矩形，寬×高=4.8 m×3.6 m，巷道設(shè)計(jì)沿煤層底板掘進(jìn)。由于煤層頂板為9#煤層與泥巖互層，屬于復(fù)合軟弱頂板，現(xiàn)為有效保障巷道圍巖的穩(wěn)定，特進(jìn)行巷道圍巖控制技術(shù)研究。

表1 煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

2 軟弱夾層圍巖組合梁理論

含軟弱夾層的矩形巷道，其頂板初次承載結(jié)構(gòu)主要為組合梁，頂板組合梁是巷道圍巖穩(wěn)定的前提。為建立力學(xué)模型，將頂板組合梁簡(jiǎn)化為連續(xù)、均質(zhì)體，且假定其在彈性范圍內(nèi)僅發(fā)生微小變形，處于完全彈性狀態(tài)。根據(jù)假設(shè)可繪制出矩形巷道組合梁結(jié)構(gòu)及力學(xué)模型如圖1。

圖1 矩形巷道組合梁結(jié)構(gòu)示意圖

通過組合梁力學(xué)分析及邊界條件能夠推導(dǎo)得出，組合梁模型的應(yīng)力表達(dá)式為：

根據(jù)式（1）中推導(dǎo)得出的應(yīng)力表達(dá)式可知，當(dāng)組合梁水平應(yīng)力小于某一值時(shí)，可減小組合梁的拉應(yīng)力，對(duì)組合梁體自身的穩(wěn)定有利。另外通過分析式（1）能夠?qū)Φ贸鼋M合梁的破壞模型，能提出相應(yīng)的穩(wěn)定性判據(jù)，得出組合梁破壞的主要形式包括：拉破壞和剪破壞兩種形式[1-4]，具體兩種破壞模式的力學(xué)模型如圖2。

圖2 組合梁頂板水平應(yīng)力及軟弱夾層力學(xué)模型圖

復(fù)合軟弱頂板組合梁發(fā)生拉破壞的主要形式包括頂板跨中拉破壞和層間拉破壞，頂板不發(fā)生兩種破壞的判斷表達(dá)式為：

式中：[σt]為頂板硬巖層抗拉強(qiáng)度；σxmax為頂板組合梁最大拉應(yīng)力；h為組合梁厚度；ks為抗拉安全系數(shù)；q為作用到組合梁上的均布荷載；cw為軟弱夾層與巖層間的黏聚力。

當(dāng)組合梁出現(xiàn)剪切破壞時(shí)，其破壞形式主要包括剪切面垂直巖層、剪切面平行巖層和剪切面介于兩者之間[5-7]，其分別發(fā)生剪切破壞的極限表達(dá)式為：

綜合上述分析可知，軟弱夾層的厚度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)均會(huì)影響頂板巖層的整體穩(wěn)定，且拱頂巖層的極限抗壓能力會(huì)隨著軟弱夾層厚度的增大而逐漸降低。

3 支護(hù)方案及效果

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)軟弱夾層圍巖組合梁理論的分析結(jié)果，提出采用協(xié)同耦合的思想進(jìn)行支護(hù)[8-10]，基于該思想確定巷道圍巖采用“高強(qiáng)恒阻讓壓錨桿索+復(fù)合注漿”的支護(hù)方案，具體支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)。錨桿采用Φ22 mm×3000 mm的高強(qiáng)恒阻讓壓錨桿，間排距700 mm×700 mm，預(yù)緊力矩為300N·m，錨桿采用加長(zhǎng)錨固（1 支K2335+1 支Z2350 錨固劑），錨固長(zhǎng)度為1.2 m；錨索采用Φ22 mm×6000 mm 的1×19 股耦合讓壓錨索，間排距為1400 mm×1400 mm，錨索采用端頭錨固（1 支K2335+2 支Z2350 錨固劑），錨固長(zhǎng)度不小于2.0 m，錨固力為710 kN。頂角錨桿及錨索與頂板成15°布置，其余錨桿索均垂直頂板布置。錨索間采用JW 型錨索托盤進(jìn)行連接，錨桿間采用工字鋼梁連接，頂板表面采用8#鐵絲網(wǎng)護(hù)表。

（2）兩幫支護(hù)。錨桿采用Φ22 mm×2500 mm 的高強(qiáng)恒阻讓壓錨桿，間排距為700 mm×700 mm，兩幫中部補(bǔ)設(shè)一根Φ22 mm×6000 mm 的1×19 股耦合讓壓錨索，排距1400 mm，錨桿及錨索錨固參數(shù)、護(hù)幫方式均同頂板。兩幫角錨桿與幫部成15°布置，其余錨桿均垂直巷幫布置。

（3）關(guān)鍵部位注漿。為進(jìn)一步確保頂板巖層的穩(wěn)定，提升頂板巖層的整體承載能力，針對(duì)頂板軟弱夾層，采取注漿補(bǔ)強(qiáng)加固的措施。采用Φ22 mm×2200 mm 的注漿錨桿進(jìn)行注漿支護(hù)，注漿錨桿間排距為2000 mm×2000 mm，注漿錨桿垂直頂板布置，漿液采用水泥漿，配比為水:425#水泥=0.4～0.5:1，注漿終孔壓力為2 MPa。

注漿作業(yè)采用兩循環(huán)施工工藝，設(shè)置注漿步距為12 m，即先在待注漿區(qū)域12 m 范圍內(nèi)，以4000 mm 的排距打設(shè)一循環(huán)注漿鉆孔，一循環(huán)注漿鉆孔打設(shè)完畢后進(jìn)行一循環(huán)注漿鉆孔的注漿作業(yè)，隨后在一循環(huán)兩鉆孔中部打設(shè)二循環(huán)注漿鉆孔，排距同樣為4 m，依次進(jìn)行二循環(huán)注漿鉆孔的注漿作業(yè)。注漿過程中需達(dá)到設(shè)定終孔注漿壓力時(shí)才能停止注漿作業(yè)，如此在每個(gè)注漿步距內(nèi)進(jìn)行循環(huán)作業(yè)，直至待注漿區(qū)域全部注漿完畢。

具體10-412 運(yùn)輸順槽的支護(hù)方案如圖3。

圖3 10-412 運(yùn)輸順槽支護(hù)斷面圖（mm）

3.2 效果分析

10-412 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間，隨著巷道掘進(jìn)施工，緊跟掘進(jìn)迎頭布置巷道圍巖變形觀測(cè)站，每間隔50 m 設(shè)置一個(gè)圍巖觀測(cè)站。測(cè)站設(shè)置后，滯后掘進(jìn)頭200 m 范圍內(nèi)每2 天觀測(cè)一次，滯后掘進(jìn)頭200 m 后，每7 天觀測(cè)一次，并持續(xù)記錄分析。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間圍巖變形觀測(cè)結(jié)果，整理出圍巖變形曲線如圖4。

圖4 巷道掘進(jìn)期間圍巖變形曲線圖

分析圖4 可知，巷道采用“高強(qiáng)恒阻讓壓錨桿索+復(fù)合注漿”的支護(hù)方案后，掘進(jìn)期間，測(cè)站I的頂板下沉和兩幫移近量的最大值分別為35 mm 和69 mm，測(cè)站Ⅱ的頂板下沉和兩幫移近量的最大值分別為45 mm 和82 mm，測(cè)站Ⅲ的頂板下沉和兩幫移近量的最大值分別為40 mm 和64 mm。從圖中能夠看出，巷道掘進(jìn)期間圍巖變形均主要出現(xiàn)在巷道掘出后的0～20 d 內(nèi)；當(dāng)巷道掘出20 d 后，頂板下沉及兩幫變形速率均大幅下降；當(dāng)巷道掘出40 d 后，圍巖變形基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。基于上述分析可知，巷道在現(xiàn)有支護(hù)方案下，圍巖整體變形量小。

4 結(jié)論

根據(jù)10-412 運(yùn)輸順槽復(fù)合軟弱頂板的具體地質(zhì)條件，通過分析軟弱頂板組合梁理論，得出軟弱頂板巖層破壞形式主要為拉破壞和剪破壞，并對(duì)各類破壞形式進(jìn)行具體推導(dǎo)。基于理論分析結(jié)果，設(shè)計(jì)巷道采用“高強(qiáng)恒阻讓壓錨桿索+復(fù)合注漿”的支護(hù)方案，并在支護(hù)方案實(shí)施后進(jìn)行圍巖變形觀測(cè)分析。通過分析得出，巷道現(xiàn)有支護(hù)方案能夠保障圍巖穩(wěn)定。