复合顶板巷道破坏机理及支护技术研究

赵 坡

(山西汾河焦煤股份有限公司 三交河煤矿,山西 洪洞 041600)

某矿11#煤层巷道围岩岩性特征变化比较大,巷道顶板局部有软弱泥岩,且煤岩间胶结性较差,巷道在掘进时顶板出现随掘随落现象,属于典型的复合顶板。复合顶板的管理是巷道支护的重点、难点。吕兆海[1]等提出了“柔性抗剪支护+高预应力帮部加固+弱面补强+喷浆封闭”控制方式,采用高预应力衍架结构,有效控制顶板变形;牛利荣[2]根据力学模型提出系统设计法进行支护设计;孔宪法[3]提出了“锚杆-单体锚索-桁架锚索”三阶梯次支护,形成超强承载结构,实现围岩整体稳定性和自承能力的目的。但上述理论不具备普适性。

本文以矿井11-0031巷围岩支护为研究对象,根据现场巷道破坏特征,采用围岩控制技术,优化巷道支护参数、控制顶板淋水、严抓工程质量,有效解决了该工作面支护困难的难题。

1 工作面概况

1.1 工作面顶底板岩性

11-0031巷处于井下+850 m水平,埋深287 m,最大水平主应力为8.58 MPa,最小水平主应力为4.45 MPa,垂直应力为6.66 MPa,地应力场在量值上属于低应力区。巷道沿11#煤顶板掘进,煤层厚度2.7 m。11#煤顶底板岩性综合柱状图见图1。

图1 顶底板岩性综合柱状图Fig.1 Comprehensive stratum histogram of roof and floor lithology

1.2 巷道支护形式

根据工程类比法及锚杆支护理论分析设计法[5],确定巷道断面为矩形,掘宽×掘高=4.5 m×3 m,工作面沿11#煤层顶板掘进,顶板采用锚网、钢带联合锚索支护。顶锚杆选用Φ20 mm×2.5 m的高强锚杆,“六六”布置,间排距800 mm×800 mm;顶锚索选用Φ21.6 mm×8.2 m的钢绞线,“二二”布置,间排距1 600 mm×2 000 mm,每6 m施工一组至K2灰岩1 m以上；锚索托盘采用22#槽钢匹配180 mm×180 mm×12 mm平钢板；锚固剂选用两条Z2388型树脂锚固剂。

2 巷道破坏特征及机理

2.1 巷道破坏特征

2.1.1现场破坏特征

工作面掘进期间,顶板不平整、完整性差,迎头出现随掘随落现象,最大冒落高度在1.0 m左右;巷道内局部有锚索外露长,金属网锈蚀,锚索托盘变形等现象;顶板出现离层,较为破碎,出现网包,但两帮相对完整,在原有支护条件下,满足不了巷道支护强度；现场采用架设“一梁三柱”的方式补强支护,虽能控制巷道变形,但影响后期支护效果,为巷道管理带来困难。

2.1.2顶板内部窥视

巷道开挖后,巷道围岩应力重新分布,顶板内部破坏出现松动圈,采用窥视仪对内部破坏形态窥视可知,顶板浅部0～1.2 m范围内煤岩体多出现离层和破碎围岩,并伴随裂隙发育。随着巷道向前推进,裂隙和破碎带进一步发育,松动范围进一步扩大,浅部破碎范围达到2 m。图2为顶板1.2 m处破碎情况,图3为顶板2.0 m处破碎情况。

2.2 巷道破坏机理

2.2.1巷道围岩性质

1)复合顶板具有明显的层状特性,且各相邻岩层之间在厚度、弹性模量等其他力学参数上都具有很大的差别,导致层间粘结力弱,在受到扰动后,容易沿夹层发生水平方向的剪切滑移和垂直方向的拉伸离层破坏[4]。

2)通常含有多个软弱夹层或煤层的顶板,这些软弱夹层或煤线厚度一般都比较小,但节理和裂隙都发育较好,在高应力作用下容易发生层间剥离。

3)泥岩属于不稳定岩层,巷道开挖后,围岩应力会达到新的平衡状态,受顶板自身承载能力、风化作用或其他地质构造等多种因素影响,巷道局部会出现应力集中现象,容易发生变形破坏。

2.2.2顶板淋水影响

1)顶板距离K2灰岩或其他含水层较近,且局部顶板会裂隙发育。在施工锚索期间,形成导水孔,安装锚索时锚固剂遇水后物理性质破坏,进而导致锚杆、锚索的锚固力下降,支护效果削弱。同时水减慢了锚固剂凝结速度,容易造成锚固剂流失,从而减小锚索及锚杆的实际锚固长度。

2)泥岩浸水后,围岩内部结构发生变化,内聚力减弱,在淋水与风干双重作用下,围岩强度减弱,裂隙增大,随着影响时间的增加,松动圈范围进一步扩大。

3)淋水夹杂着煤层内的硫份时,锚杆、锚索、钢筋网等支护材料容易受到腐蚀,金属构件的力学性能相对减弱,支护结构的可靠性和安全性也相对降低。

2.2.3支护材料选择

锚索托盘选用22#槽钢配套180 mm×180 mm×12 mm平钢板。一是由于顶板表面不能确保平整,锚索施工时不能保证位于槽钢孔正中,锚索倾斜角度较大,锚索外露部分容易受到弯剪破坏,不利于锚索预紧力扩散;二是槽钢孔和钢板均为人工氧焊,成孔不够平滑,容易剪切锚索;三是平托板无法调心,锚索受力容易偏载,严重时托盘会将锚索切断。

2.2.4预紧力设定

原设计中锚索预紧力为160 kN,考虑锚索张拉后30%的预紧力损失,实际预紧力为110 kN。直径为Φ21.6 mm的锚索索体破断载荷为520 kN,在锚杆锚索预紧力初始值的选择中,一般要求预紧力为杆体屈服强度的30%～50%,锚索预紧力初始值应达到索体破断载荷的40%～70%[5]。因此,锚索设计预应力较低,锚索悬吊作用难以发挥。

3 围岩控制技术

根据现场巷道破坏特征,分析了巷道破坏机理。因此,对于复合顶板的巷道变形破坏可以从以下三方面进行控制。

3.1 优化支护参数

1)调整锚索预紧力及锚索长度。当预应力一定时,长锚索的预应力扩散效果较弱,支护效果相对较差,可适当减短锚索长度或提高锚索的预应力。根据锚索破断载荷和应力损失,确定锚索预紧力在200～250 kN。将锚索锚固区固定在岩层厚度大、稳定性较好的岩层中,阻止破坏向深部发展。选用长锚索为骨架,短锚索或锚杆控制浅部岩层不连续面的支护方式,确保巷道稳定。当顶板无稳定岩层时,要求锚索长度高于自然平衡拱2 m。

2)选用力学性能与锚索强度配套、规格为300 mm×300 mm×16 mm拱形高强度锚索托盘,拱高60 mm以上,安装高强度调心球垫。

3.2 控制顶板淋水

1)巷道在变坡点或顶板有破碎、裂隙时,顶板容易出现淋水。进入顶板淋水区域时,布置疏水钻孔进行放水,钻孔采用全液压ZDY1200S钻机配合Φ42 mm长1.5 m的钻杆，Φ56 mm钻头,在巷道正中沿着巷道掘进方向施工疏水孔。钻孔与顶板夹角为50°,与巷道夹角为0°,深度15 m(施工至K2灰岩),现场一般施工2个疏水孔,间距为5.0 m。放水后,顶板滴淋水现象明显减少。通过放水,一是降低了水对泥岩的弱化作用;二是确保了锚固剂的锚固质量。

2)施工锚索时,锚索端头要避免施工至K2灰岩,疏通K2灰岩水。当顶板有淋水时,由两条Z2388型树脂锚固剂变更为两条Z2388和一条CKb2340型树脂锚固剂,CKb2340型树脂锚固剂放置孔底。主要原因,一是超快型锚固剂能够快速凝固,二是增加锚固长度能够减少端头锚固剂流失量,确保锚索预紧力达标。

3.3 严抓工程质量

1)巷道开挖初期,围岩变形较小,及时安装锚网索支护能够有效控制围岩变形。同时严格按照安全生产标准化及规程要求施工,保证各支护参数达标。

2)为确保围岩支护效果,在支护设计方面必须建立地质力学评估→初始设计→井下监测→日常监控/信息反馈→修正/优化设计的支护设计体系；同时采用数据观测→数据收集→数据分析→信息反馈→现场执行→现场回馈的闭合管理模式,实现顶板变化动态监测、矿压变化规律分析、支护设计验证和优化。

4 现场监测

采用围岩控制技术后,用矿压监测和现场反馈的方式验证支护效果。

4.1 顶板离层监测

在巷道顶板正中安设离层仪对顶板离层情况进行监测,深基点布置在巷道顶板9 m处(超过锚索端头1 m),浅基点布置在巷道顶板2.4 m处(位于锚杆端头),深基点初安值设定为3 mm、浅基点初安值设定为2 mm,根据图4可知,顶板未发生离层现象,顶板较稳定。

图4 离层仪深/浅基点变化曲线Fig.4 Variation curves of deep/shallow base point of separation instrument

4.2 锚杆锚索受力监测

现场安设锚索测力计对锚杆/索受力情况进行监测。图5为测力计安装位置图,图6为锚杆/索受力变化曲线图。

通过锚杆/索受力变化曲线可知,锚索及巷道中部锚杆受力变化较大,均未超过屈服载荷,说明采取措施有效。其中:顶板3#、4#锚杆测力计变大是由于巷道开挖后,顶板双支梁结构向下弯曲,这是巷道中部锚杆/索压力变化最大的原因,所以在巷道支护设计或监测时,锚索尽量安设在巷道中部,增强锚索的主动支护能力。顶板右侧6#锚杆测力计变化幅度大是由于巷道顶板存在倾角(左高右低),导致顶板压力向右侧偏移,所以巷道在掘进期间,需注意顶板倾角或围岩其他构造对巷道的影响,以便加强支护。

图5 测力计安装位置图Fig.5 Installation location of dynamometer

图6 锚杆/索受力变化曲线Fig.6 Stress variation of anchor/cable

4.3 现场反馈

已掘巷道出现破碎、网包的现象明显减少,说明采用锚杆支护改善围岩浅部破碎状态,可提高整体承载能力及完整性。但巷道在掘进期间,由于地质条件影响局部仍出现随掘随落的现象,现场及时支护后,能够明显改善支护环境,同时加强现场支护质量检测,确保支护可靠。在巷道受二次采动对围岩完整状态影响较弱时,可在本煤层工作面设计时适当放开支护排距。

综上所述,采用围岩控制技术后,巷道支护安全可靠,支护强度能够满足巷道支护要求,提高了围岩的稳定性。

5 结束语

11-0031巷道采用围岩控制技术后,明显改善了支护环境,巷道围岩的安全性和稳定性进一步提高,巷道支护安全可靠,为本煤层同类型巷道支护设计提供了依据。