煤矿巷道顶板锚固机理及围岩控制技术研究
时间：2023-03-02 22:35:03 来源：千叶帆 本文已影响人
曹 伟
（山西焦煤山煤国际铺龙湾煤业有限公司，山西 大同 037000）
随着矿井采掘深度的不断延伸，在开采深部煤层时由于地质构造的影响，岩性层状发育特征，各分层使得顶板承载能力差，受采掘扰动影响，易产生离层失稳，引发冒顶事故。锚杆和锚索是保障煤矿巷道围岩稳定的主要支护材料，锚索与锚杆相比可施加较大的预紧力，且可锚固到深部稳定围岩。矿井开采深度增加，巷道围岩赋存环境恶化，锚索的使用量大幅增加，甚至一些巷道采用全锚索支护，使巷道围岩的稳定性显著提高[1]。随着锚索服役时间变长，所引发的顶板锚索破断问题频发，造成巷道顶板变形失稳。本文以铺龙湾矿5102 工作面为工程背景，基于巷道顶板锚固机理，设计提出以长短锚索为主导的多层次支护技术，有效解决巷道围岩失稳问题。
铺龙湾矿位于大同市西南部，井田面积4.86 km2，设计生产能力为1.2 Mt/年，主要开采5 号、8 号煤层，5102 工作面开采的5 号煤层平均厚度3.91 m，平均倾角为4.6°；
煤层顶板以泥岩和砂质泥岩为主，局部含有软弱夹层，层理裂隙发育、分层薄且层间黏结力差，顶板结构复杂，为一类比较典型的层状复合顶板。该矿井开拓巷道为布置在煤层中的大断面矩形巷道，掘进宽度为5.5～5.9 m、高度为4.5 m，一般沿煤层全高掘进。由于煤层松软，顶板结构复杂，巷道支护问题一直是制约矿井安全高效生产的关键因素。矿井整合建井以来巷道的支护方式主要由普通的锚网索联合支护升级为高预应力全锚索支护，巷道顶板稳定性显著提高。但是随着采掘深度和巷道服务时间的延长，局部区域围岩变形严重，单一层次的顶板锚索破断率高，引发的巷道围岩稳定控制问题严峻。
2.1 数值模型
采用FLAC3D 数值软件研究顶板不同区域内锚索的真实受力特征。建立的数值模型尺寸为40 m×1 m×25 m，模拟的巷道宽度为5.5 m、高度为4.5 m、埋深为600 m，施加的侧压系数为1.2。在巷道顶板2.5 m 范围内通过设置interface 单元模拟层理，结合现场顶板条件，分层厚度分别设置为0.2 m、0.3 m、0.4 m。采用fish 语言，改进数值软件中的pile 单元模拟锚索，使其可以同时反映锚索的轴向拉伸荷载和横向剪切荷载。在巷道顶板中布置一排锚索共6 根，间距为1.0 m，锚索的长度为7.4 m，每根锚索设置74 个结构单元，锚固长度为1.5 m。
由于巷道顶板锚索布置具有对称性，处于对称位置的锚索受力差别不大，取其中靠近巷道一侧的3 根锚索进行受力分析，从巷道肩角开始分别标为1 号、2号和3 号锚索。建立的数值模型如图1 所示，巷道顶板岩层参数见表1。
图1 巷道数值模型（单位：m）
表1 岩层力学参数
2.2 顶板锚索真实受力特征
在建立的数值模型中，研究无支护和锚索预紧力分别为50 kN、100 kN、150 kN 时，巷道顶板的变形特征与锚索受力的差异性。
2.2.1 巷道顶板变形
通过对无支护和锚索不同预紧力下顶板的竖向下沉变形结果进行动态监测分析可知，顶板的整体变形以挠曲下沉为主，顶板的竖向位移越靠近中部下沉量越大，越靠近两帮下沉量越小；
在无支护下顶板出现较为显著的离层现象和挠曲变形，最大下沉量为628 mm；
安设不同预紧力的锚索后，顶板下沉变形得到有效控制，离层现象消除；
随着锚索预紧力的提高，顶板变形量逐渐减小，对围岩的控制效果逐渐增大。
2.2.2 锚索横向剪力
通过对不同条件下锚索的横向受力情况监测分析可知，顶板2.5 m 范围内锚索受到的横向剪力较为显著，剪力峰值集中在顶板深度0.5～2.0 m 范围，顶板深度大于2.5 m 后，锚索基本不受横向剪力的影响。在同一预紧力下，顶板锚索越靠近巷帮其剪力越大，而越靠近中部其剪力越小，顶板锚索的横向剪力分布特征与轴向拉力正好相反。提高锚索预紧力后，不同位置锚索的剪力峰值的差异性逐渐缩小，巷道肩角两根锚索受预紧力的影响更大，剪力峰值差异度由原来的10%减小为4%，受力趋于均匀。结合巷道变形特征可知，顶板下沉过程中不仅有竖向的挠曲变形，还有横向的层间剪切错动，中部区域虽然挠曲变形最大，但其层间剪切错动不显著；
而越靠近巷帮其层间错动越剧烈，导致锚索的剪力增大。锚索预紧力提高后，顶板整体位移量减小，靠近巷帮顶板的剪切错动也较为缓和，使锚索的横向剪切受力趋于均匀。顶板锚索越靠近中部其拉伸荷载越大，而越靠近帮部其剪切荷载越显著；
提高锚索的预紧力可有效控制顶板变形，有利于顶板稳定，减少锚索有害受力，降低锚索破断率，提高整个支护系统的稳定性[2]。
试验巷道为5102 工作面运输大巷，埋深约为450 m，沿煤层全高掘进，巷道的高度为4.50 m、宽度为5.50 m。为了降低锚索破断率，有效控制极易离层的复合顶板，基于顶板锚索分区域锚固机理和长短锚索的支护效应，采用多层次支护技术进行顶板控制，同时保证煤帮的支护强度。具体支护参数如下。
3.1 顶板支护
顶板采用长短锚索、长锚杆和金属网联合支护，形成3 个支护层次。金属网由Φ6.5 mm 的钢筋焊接而成，网孔规格为100 mm×100 mm。长锚杆为高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22 mm、长度为3.2 m，间排距为1 000 mm、1 200 mm，锚固长度为1 675 mm，施加预紧转矩不小于400 N·m。长短锚索均为1×19 股，直径为21.8 mm 的强力钢绞线，短锚索的长度为5.4 m，长锚索长度为7.4 m，其中短锚索每排4 根，间排距为1 500 mm、2 400 mm；
长锚索每排3根，间排距为1 500 mm、2 400 mm；
长短锚索的锚固长度均为1 970 mm，施加预紧力不小于250 kN。
3.2 两帮支护
煤帮采用短锚索、锚杆和金属网联合支护，金属网由Φ6.5 mm 的钢筋焊接而成，网孔规格为100 mm×100 mm。煤帮的顶底角为高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其余部位为强力短锚索。其中锚杆的直径为22 mm、长度为2.8 m，排距为1 200 mm，顶角锚杆距顶板300 mm，底角锚杆距底板400 mm，顶底角锚杆与水平方向有10°的偏角，锚固长度为1 675 mm，预紧力矩不小于400 N·m。锚索为1×19 股，直径为21.8 mm 的强力钢绞线，长度为5.4 m，间排距为950 mm、1 200 mm，锚固长度为1 970 mm，预紧力不小于150 kN。以上施工工序完成后，及时对顶帮喷射厚度为150 mm 的混凝土层密闭围岩。巷道支护方案示意图如图2 所示。
图2 支护方案示意图（单位：mm）
铺龙湾矿在巷道掘进支护完成后，布置3 个测站进行为期90 d 的矿压监测，主要包括巷道表面位移和锚杆锚索受力。通过对相应数据处理，可得巷道表面位移曲线，如图3 所示。
图3 巷道顶板移近量随时间变化曲线图
其中每个测站内锚杆和锚索的受力情况类似，以其中一个测站的监测结果进行说明。从巷道表面位移监测结果可知，3 个测站内顶板最大下沉量为72 mm。另分析可知，两帮最大移近量为145 mm。巷道表面位移较小，两帮移近量不大，整体稳定性较好。从锚杆锚索受力变化趋势来看，锚杆锚索受力同步上升，说明锚杆锚索起到了协同承载作用；
锚杆和锚索在服务期间受力增加平缓且变化不大，这说明锚杆锚索有效控制了围岩的非连续大变形，尤其是锚固区内围岩的初期离层、剪切滑动以及内部裂隙张开与贯通等得到控制，围岩整体变形小，有利于发挥围岩自身的承载能力。巷道掘进完成后，进行井下调研发现，顶板稳定程度较高，未发现锚索破断现象。综合以上分析可知，基于顶板锚索分区锚固机理，采用以长短锚索为主导的多层次支护技术，可有效解决锚索破断问题，实现对煤矿巷道层状复合顶板的稳定控制。
1）煤矿巷道顶板下沉过程中，锚索同时承受轴向拉伸荷载和横向剪切荷载，且具有区域性受力的差异性，顶板锚索越靠近中部其拉伸荷载越大，而越靠近帮部其剪切荷载越显著；
提高锚索的预紧力可有效控制顶板变形。
2）可使围岩的主动支护范围扩大，而短锚索对其中部围岩的支护刚度优于长锚索。分层搭配设计实现了对巷道顶板的分区锚固。
3）提出以长短锚索为主导，结合强力长锚杆的多层次顶板支护技术，实现预应力承载结构的有效叠加，保证顶板岩梁的连续性，抑制巷道顶角破坏，现场应用效果良好，有效控制巷道失稳。
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