浅析不稳定复合顶板煤层巷道支护技术的研究与应用

复合顶板是由不同性质的层状岩层组成,多含煤线,局部含硬岩,呈非均质性层状松散结构,通常表现出软岩的特性。而复合顶板条件下巷道围岩的显著特点是围岩在支承压力的作用下节理裂隙进一步发育并持续发展,围岩的力学参数大大低于原岩体。随着开采深度的不断增加,复合顶板巷道呈现大变形、高应力、难支护等破坏特征。十矿开采深度已达1 000m以上,复合顶板表现更加不稳定,已影响到矿井的安全生产。

1工作面概况

戊9-10-21190综采工作面位于平煤股份十矿-320m水平北翼东区下山第四阶段,工作面西靠东区轨道、运输机、专用回风下山,东至十二矿北风井保护煤柱,南为戊9-10-21170采空区,北部未开采。工作面埋深620~710m,走向长890m,切眼斜长249m,所采煤层为戊9-10合层煤。该煤层厚3.8~4.5m,倾角12~20°,伪顶为0.4~0.6m的砂质泥岩,直接顶为1.6~6.5m的砂质泥岩。戊10煤层底板为1.9~4.2m的砂质泥岩,下部为0.8m厚的戊11煤层,其底板为4m左右的泥岩及大于10m的砂质泥岩。戊9-10-21190工作面风巷顶板沿戊9煤层顶板掘进,留5m窄煤柱,巷道为宽4m、巷中高3m的梯形断面,煤层围岩性质及巷道布置如图1。

2复合顶板煤巷围岩结构分析

2.1复合顶板煤巷围岩三角块结构

留窄煤柱煤巷是在上工作面采空区侧、已垮落稳定岩层下掘进,破坏了巷道上覆岩体结构的稳定状态,同时在侧向支承压力的作用下,巷道压力加大,变形、破碎,致使岩体的承载能力降低。煤巷的稳定性与顶板岩层中一层或几层力学性能好的坚硬岩层断裂后结构的稳定性密切相关,这个结构为巷道稳定性的三角块结构,其模型如图2。根据钱鸣高院士的关键层理论及其判别方法,依据该巷道的围岩的力学特性,确定该巷道的关键层为10m的灰白色中粒砂岩。该煤巷所在位置的煤体在上区段回采时受到上覆岩层运动的影响,上覆岩层处于固支边与自由边相交处,因而其上覆关键层断裂成弧三角板即三角块结构,其稳定性影响到巷道的稳定性。

三角块B沿工作面推进方向断裂长度即为基本顶周期来压步距,三角块B的侧向跨度与周期来压步距基本相等。对于该工作面基本顶周期来压步距为13~18m左右,且其破断位置位于煤体弹塑性交接处。

2.2煤巷围岩三角块结构稳定性分析

三角块结构失稳的方式主要有2种,即滑落失稳和转动失稳。滑落失稳指三角块B与岩块A之间的剪切力大于两岩块之间的水平推力所引起的摩擦力,指刚断裂时,倾角较小,三角块B沿岩块A滑落;转动失稳指三角块B转动角度过大,与岩块A之间的水平推力所引起的压应力大于两岩块接触处的有效抗压强度,铰接点处的岩石块体被挤碎而转动变形失稳。根据关键层中S-R稳定理论可知:滑落失稳指三角块B与岩块A之间的剪切力大于两岩块之间的水平推力TAB所引起的摩擦力,三角块B沿岩块A滑落;转动失稳指三角块B转动角度过大,与岩块A之间的水平推力所引起的压应力大于两岩块接触处的有效抗压强度,块体被挤碎而失稳。其中滑落稳定性系数K1<1表明三角块结构发生滑落失稳,转动稳定性系数K2>1表明三角块结构发生转动失稳。

戊9-10-21190工作面计算基本条件如下:巷道埋深670m,直接顶砂质泥岩厚1.6~6.5m,基本顶砂岩平均厚10m。上覆岩层的容重0.025MN/m3,直接顶的碎胀系数1.35,侧压系数0.5,煤层力学性质,单轴抗压强度15MPa、内聚力3MPa、内摩擦角30°。计算三角块的稳定性系数结果为K1=1.15>1,K2=1.86。因此,该巷道变形破坏形式主要是转动失稳,且易发生在回采期间。

3煤巷破坏特点与支护技术

3.1煤巷破坏特点

煤巷锚固体结构由顶板、底板、实体煤帮和煤柱帮锚固区组成一个有机整体,其变形和破坏是各组成部分相互作用、相互影响的综合结果。由于窄煤柱受上区段工作面回采影响很大,煤体的破坏程度较高,当它发生变形破坏时,将使巷道顶板的承载基础作用降低,进而导致顶板向煤柱侧采空区旋转、向巷道内移近和向下沉降,从而造成巷道锚固体结构的变形破坏,即为窄煤柱诱导型破坏。回采时常常因过大的顶底板移近量使顶板下沉而垮落,从而导致巷道变形破坏。

3.2煤巷支护技术

在煤巷工程中,锚杆支护的围岩通常较为破碎,此时若对锚杆施加一定的预紧力,将可以有效地约束巷道浅部围岩向巷道内的挤入,并可改善锚固区中围岩的应力状态,提高锚杆对围岩的强度强化效果,形成有效的承载圈,确保支护体与岩体的共同承载,由此可知,较大的预紧力对实现较高的锚杆支护强度是极为关键的。针对复合顶板煤巷的失稳破坏形式及其特点,我们提出采用预紧力为20~30k N锚杆、金属网及锚索补强联合支护技术,如图3所示。

高强锚杆、金属网初支护。巷顶采用Φ20mm×2 200mm的高强左旋螺纹钢锚杆,每根锚杆用一支双速2360和Z2360树脂药卷,锚固长度1 300mm;锚杆矩形布置,间排距650mm×650mm。巷帮采用Φ20mm×2 000mm的等强左旋螺纹钢锚杆,锚杆用CK2330和Z2360树脂药卷各一支,锚固长度1 000mm,间排距650mm×650mm。顶板、两帮还配套使用8#丝制成网格为40mm×40mm的菱形金属网及Ф16mm圆钢焊制钢笆梁。

锚索补强耦合支护。巷道均采用小孔径预应力锚索加强支护,锚索直径为Φ15.24mm的钢铰线,锚索长8.3m,锚索排距2 600mm;采用3支CK2330型树脂锚固剂端头锚固,其锚固长度1.8m,锚固力120k N,预应力120~150k N,外托板为长400mm的18#槽钢和100mm×100mm×10mm的钢板一块。

3.3支护效果分析

为了监测巷道的支护效果,分别对该巷道进行表面位移收敛监测(采用双十字观测法)与顶板岩层离层监测(采用KDW-1型机械式多点位移计),历时4个多月,观测结果如图4。

由图4可知巷道围岩表面位移和深部位移移动规律如下:

1)锚网索支护有效地控制了围岩变形,两帮、顶底板相对移近量分别为85mm、271mm;变形趋于稳定时间分别为30d、50d左右;采用锚网支护能较快地控制围岩变形,缩短了围岩应力调整周期。

2)顶板采用高强度锚杆、锚索支护有效地抑制了顶板的下沉,顶板下沉152mm左右,底臌量约120mm。

3)在巷道表面和顶板3.5m范围内出现离层,最大为26mm,主要为碎胀后下沉;顶板锚杆锚固区内,从3.5m到6m之间没有出现较大离层,而是整体下沉,说明锚网索能提供较大的锚固力,充分发挥了组合拱的承载作用。

4)在锚固范围以外,出现一个顶板离层,及时安装小孔径锚索补强,抑制了顶板的进一步离层,确保了巷道的稳定。

4结论

1)复合顶板煤层巷道上覆岩层中存在着由基本顶形成的三角块结构,对巷道稳定性产生重要影响,该结构的转动失稳是巷道变形破坏的主要形式。

2)复合顶板煤巷采用树脂药卷加长锚固的高强锚杆、锚索联合支护,两帮相对移近量88mm,顶板下沉145mm左右,有效地控制了巷道围岩变形。

3)实践证明,复合顶板煤巷采用高强锚杆、小孔径锚索联合支护,不仅显著改善了巷道维护效果,提高了巷道安全可靠性,而且降低了巷道支护成本、提高资源回收率、减轻了劳动强度,取得了良好的效果。

摘要：基于不稳定复合顶板煤层巷道的变形破坏特点,分析了窄煤柱条件下煤层巷道围岩的三角块结构及其失稳破坏形式,得到回采期间该巷道的破坏主要是由三角块结构转动失稳所致,为此提出了沿煤巷锚网索耦合支护技术。实践证明,该技术取得了良好的支护效果。

关键词：复合顶板,煤层巷道,围岩结构,锚杆支护