复合顶板松软煤层巷道破坏机理及高预应力支护技术研究

＊杨 超

（山西汾西中兴煤业有限责任公司 山西 030500）

复合顶板管理工作属于巷道支护的重点部分，可通过高预应力衍架结构避免顶板发生变形问题，联系复合顶板松软煤层巷道破坏机理分析，实行力学模型系统支护设计，同时应用高预应力支护技术处理保证围岩的稳定性。

1.工作面基本情况概述

11-0031巷在井下+800m，埋深、最大水平主应力、最小水平主应力、垂直应力分别为：285m、8.6MPa、4.46MPa、6.68MPa。地应力场处于量值上为地应力区。巷道顺着11#煤顶板掘进位置，煤层的厚度约为2.5m。11#煤顶底板岩性情况：

（1）埋深276.5m、层厚为1m，岩石名称为9#煤层，岩性：9#煤层、薄煤层，而且结构比较简单；

（2）埋深280.1m、层厚为1.2m，岩石名称为泥岩，岩性：泥岩、灰黑色、含有植物化石；

（3）埋深285m、层厚为1.2m，岩石名称为11#煤层，岩性：11#煤层、中厚煤层、结构相对复杂；

（4）埋深290.8m、层厚为2m，岩石名称为泥岩、灰黑色、存在植物化石；

（5）埋深295.6m、层厚为1.6m，岩石名称为泥岩，岩性：泥岩呈灰黑色，具有植物化石；

（6）埋深296.6m、层厚为3.02m，岩石名称为K1砂岩，岩性：K1砂岩呈灰白色，质地坚硬。

通过工程类比法、锚杆支护理论分析方法，使得巷道断面确定为矩形，掘宽4.5m×掘高3m，工作面顺着11#煤层顶板掘进，顶板通过锚网和钢带进行锚索支护。其中顶帽选择增强锚杆Φ20mm×2.5mm，间排距为800mm×800mm；顶锚索选择钢绞线Φ21.5mm×8mm，间排距为1500mm×2000mm，间隔5m施工一组到K2灰岩＞1.2m。锚索托盘选择22#槽钢匹配180mm×180mm×10mm平钢板，另外选择2条树脂锚固剂。

2.复合顶板松软煤层巷道破坏的主要机理

图1 顶板0.8m破碎情况

图2 顶板1.2m破碎情况

工作面掘进的过程顶板无法保持平整、完整，而且容易发生迎头随掘随落情况，平均冒落高度约为0.6m。巷道内局部存在锚索外露、金属网为锈蚀的状态，锚索托盘变形严重且顶板离层、破碎、可见网包，两帮比较完整、原支护条件无法达到巷道支护强度的相关标准[1]。现场多通过架设一梁三柱的处理方式，达到补强支护的目的，在控制巷道变形方面的优势突出，不足：会在不同程度对后期整体支护效果造成直接影响，不利于顺利执行巷道管理工作。待巷道开挖巷道围岩应力得以再次分布，顶板内部受到严重破坏，这时可使用窥视仪观察内部受到破坏情况，发现顶板前部1.2m内煤岩体存在离层、破碎围岩、随裂隙发育。巷道不断推进的同时，裂隙、破碎带发育加深，并且松动的范围加大。

(1)顶板淋水破坏机理

因顶板距离K2灰岩/其他含水层的距离非常近，而且局部顶板为裂隙发育，因此施工锚索过程中会逐渐形成导水孔，这时安装锚索锚固剂遇水后物理性质受到严重破坏，而这也是造成锚杆锚固力降低、锚索锚固力降低的基本原因，无法确保整体支护的效果[2-3]。除此之外，水关系到锚固剂凝结的速度，发生锚固剂流失、锚索锚固长度下降、锚杆锚固长度降低的概率提升。泥岩浸水围岩内部结构变化非常大、内聚力下降，淋水和风干情况下围岩强度受到直接影响，且裂隙及松动圈的范围不断加大。淋水中存在煤层硫份锚杆、锚索以及钢筋网等腐蚀问题严重，金属构件力学性能受到直接影响，这时不能确保支护结构的稳定性。

(2)支护材料选择破坏机理

锚索托盘使用的为22#槽钢配套平板钢，因顶板表面无法保持平整的状态、锚索施工作业处于槽钢孔中心位置，因而锚索倾斜的角度是比较大的，这时锚索外露部分会发生弯剪破坏问题，对于锚索预紧力扩散造成不同程度威胁。同时，槽钢孔、钢板属于人工氧焊，成孔不能达到平滑的状态，易于产生剪切锚索的状况。平托板不能调心产生锚索受力偏载问题的可能性较大，严重情况还会导致锚索切断问题发生。

(3)预紧力设定破坏机理

设计中锚索预紧力为150kN，考虑到锚索张拉处理后部分预紧力丧失，直径Φ21.5mm锚索索体破断载荷约为500kN，锚杆锚索预紧力初始值中要求预紧力为杆体屈服强度45%左右，锚索预紧力为初始预紧力杆体屈服强度60%左右，可见锚索设计预紧力更低，则无法很好的发挥出锚索悬吊的功能[4]。

(4)巷道围岩性质破坏机理复合顶板存在显著层状的特性，邻近岩层间在厚度、弹性模量方面差异性较大，所以致使层间粘结力不同程度下降，在扰动因素影响下顺着夹层产生水平方向剪切滑移问题、垂直方向拉伸离层受到严重破坏问题。存在数个软弱夹层/煤层顶板，软弱夹层/煤线厚度非常小，节理发育、裂隙发育均良好，高应力条件下产生层间剥离的可能性较大。泥岩作为不稳定岩层，待巷道开挖后围岩应力保持平衡，在顶板自身承载力、风化条件下巷道局部应力比较集中，故而会造成变形、受到破坏的情况。

3.复合顶板松软煤层巷道高预应力支护技术的应用探讨

(1)完善相关支护参数

长锚索预应力扩散的效果并不理想，所以不能提高支护的效果，这时建议通过缩短锚索长度的方式处理。按锚索破断载荷、应力受损情况，明确锚索预紧力约为220kN，锚索锚固区固定于岩层厚度较大、稳定性较佳岩层中，避免造成不良的影响。同时选择长锚索作为骨架，选择短锚索/锚杆对浅部养成不连续面支护方式加以有效控制，从而提高巷道的稳定性。顶板没有稳定性岩层，则需确保锚索长度＞自然平衡拱1.8～2.2m。另外，建议选择力学性能和锚索强度配套的拱形高强度锚索托盘，拱高为65mm，并应该安装高强度调心球垫。

(2)严格控制顶板淋水情况

巷道变坡点/顶板存在破碎及裂隙的时候，顶板发生淋水的可能性非常大，进到顶板淋水区域需布设疏水钻孔防水，钻孔使用的为全液压钻机、钻杆、钻头，可以在巷道中心位置顺着巷道掘进的方向施工疏水孔。钻孔和顶板的夹角、钻孔和巷道的夹角分别为：45°、0°，深度在12m左右，可施工2个疏水孔将间距设置为4.5m。实行放水处理后顶板的淋水问题得以改善，放水的目的为降低水对于泥岩的弱化，并且利于提升锚固剂锚固的效果[5-6]。在实行锚索施工作业过程中，锚索端头禁止施工到K2灰岩，顶板发生淋水状况后经2条树脂锚固剂——1条树脂锚固剂转变，可将树脂锚固剂置于孔底位置，究其原因为超快型锚固剂可在较短的时间达到凝固的目的，有助于加大锚固长度有效控制端头锚固剂的流失，满足锚索预紧力的相关要求。

(3)有效控制工程的质量

在巷道开挖初期围岩不易发生变形问题，建议及时安装锚网索支护防止发生围岩变形情况，这个过程要求认真遵循安全生产相关标准、规程作业，以此使得所有支护参数达到标准。而为提高围岩支护的整体效果，在支护设计时应构建地质力学评估体系、初始设计体系、井下监测体系、日常监控体系等。除此之外，需做好数据观测、收集、分析，以及信息反馈、现场执行和回馈等管理工作，主要的目的为达到动态监测顶板变化的目的，对矿压变化的规律加以深入分析，不断完善支护的设计[7]。

图3 工程质量控制

4.结语

高预应力支护技术的应用，利于有效改善支护环境，确保巷道围岩的安全、稳定及支护的整体效果，所以需要优化支护参数、避免顶板淋水、提高工程施工质量，进而充分发挥出高预应力支护技术的作用。