复合顶板应力集中区巷道围岩控制技术研究

李中伟

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

煤系地层多为沉积岩和层状地层，复合顶板是煤矿巷道常见的顶板结构之一，各煤岩层之间的物理力学性质差别大，各煤岩层之间容易发生错动、离层等有害变形，由于煤岩层特性对锚杆预应力传递规律影响较大，复合顶板中锚杆预应力传递效果远低于单一岩层，复合顶板巷道支护难度较大，专家学者对复合顶板巷道支护难题进行了研究，针对软弱夹层顶板、软硬互层顶板等不同条件的复合顶板巷道，提出了巷道支护技术[1-5]。当工作面采空后，会在侧向形成应力集中区，在应力集中区内掘进巷道会导致巷道支护难度加大，专家学者对应力集中区巷道支护提出了高预紧力强力支护等围岩控制技术[6-15]。三交河煤矿11-1052巷顶板有多层厚度变化较大的软弱煤岩层，且和上个工作面采空区间净煤柱为16m，处于上个工作面采空区的应力集中区内，巷道支护难度较大，目前对于该类型巷道的围岩控制技术研究较少。本文探测三交河矿11-1052巷顶板煤岩层的分层厚度和裂隙发育情况，数值模拟分析了临近工作面采空后巷道围岩的应力分布情况，提出复合顶板应力集中区巷道围岩控制技术，并进行了支护方案设计和井下试验，矿压监测结果表明该支护技术能够满足三交河煤矿复合顶板应力集中区巷道围岩控制的需求。

1 工程概况

三交河矿11-1052巷设计长度为1514m，为矩形断面，掘宽4.5m，掘高3m。沿11#煤层顶板掘进，从掘进开始到回采结束，服务21个月。11-1052巷井下位于+850水平南翼，其东侧、南侧为实体煤，北端为下组煤大巷，西侧为10-001工作面采空区。10-001工作面2016年回采结束，10-001工作面采空区与11-1052巷净煤柱16m。上部为原三交河2#煤层采空区，工作面与上组煤采空区层间距94～118m。11-1052巷布置情况如图1所示。

图1 11-1052巷布置

11-1052巷地面标高+1123～+1208m，井下标高+866～+942m。11#煤平均厚度2.9m，黑色，硬度较高，f=2，煤层结构简单，厚度稳定，直接顶以泥岩、砂岩为主。

2 巷道顶板煤岩层探测及侧向支承应力分析

2.1 顶板煤岩体探测

在11-1052巷14#导线点前28.5m、59m和16#导线点前23m、53m，采用YJC90/360矿用钻孔测井分析仪进行了顶板围岩探测，测试结果显示：

1)1#孔完整性较好裂隙不发育，0～0.8m为泥岩，0.8～1.9m为煤，1.9～4.3m为泥岩，4.3～14.3m为砂岩。

2)2#孔完整性较好裂隙不发育，0～1.8m为泥岩，1.8～3.6m为煤，3.6～7m为泥岩，7～11.8m为砂岩，11.8～13.8m为软泥岩且有多处煤线，13.7～14.4m为煤。

3)3#孔完整性较好裂隙不发育，0～2m为泥岩，2～3.8m为煤，3.8～6m为泥岩，6～9.1m为砂岩，9.1～10.9m为软泥岩且有多处煤线，10.9～15.2m为砂岩。

4)4#孔完整性较好裂隙不发育，0～3.5m为泥岩，3.5～5.4m为煤，5.4～8.3m为软泥岩且有多处煤线，8.3～15.3m为砂岩。

从11-1052巷长度不足200m范围内探测结果分析，顶板泥岩的厚度0.8～3.5m，顶板10#煤层厚度1.1～1.9m，煤岩体厚度变化大，多数钻孔直接顶泥岩的岩性软弱，导致巷道围岩控制困难。

2.2 侧向支承应力分布情况

依据地质生产资料，建立FLAC3D数值模型，分析10-001工作面采空后侧向支承应力分布情况，模型长300m、宽200m、高40m，在建模过程中严格按照地质剖面图的尺寸，三维模型的边界条件为：上部为自由边界，四周和底部铰支。煤岩体赋值参数见表1。

表1 煤岩体赋值参数表

10-001工作面采空后侧向支承应力分布情况如图2、图3所示，从图中可以看出，10-001工作面采空后侧向支承应力峰值位于距采空区边缘3.3m处，应力值为31.74MPa，原岩应力为7.14MPa，应力集中系数4.45；11-1052巷距采空区16m，应力值10.68MPa，应力集中系数1.49，应力集中系数相对较高。

图2 10-001工作面采空后侧向支承应力分布情况

图3 10-001工作面采空后侧向支承应力分布曲线

3 巷道围岩控制技术

依据地质资料、顶板煤岩层探测结果和侧向应力变化分析结果，结合现有锚杆锚索支护技术研究成果，提出复合顶板应力集中区巷道围岩控制技术。

1)采用以锚杆支护为主、锚索支护为补强的支护体系，同时提高锚杆、锚索的预紧力，把厚度小、强度低的复合顶板加固为厚度大、抗变形能力强的类刚性结构顶板，提高巷道顶板的抗变形能力。

2)提高顶板锚杆支护构件的强度和护表能力，通过锚杆支护构件，把锚杆的预紧力和工作阻力更好的扩散到巷道顶板围岩表面，提高锚杆支护效果，充分发挥锚杆的支护能力。

3)由于侧向支承应力集中程度较高，且侧向支承应力主要影响巷道两帮的变形，需要加强帮部护表构件的强度，减少帮部煤体在侧向支承应力的作用下发生破坏，进而导致巷道顶板发生破坏。

4)10#煤层含硫较高，锚索需要穿过10#煤层，考虑腐蚀影响，采用直径较粗的锚索，同时加长锚索的锚固长度。

4 巷道支护方案

4.1 支护设计方案

4.1.1 顶板支护

巷道顶板锚杆杆体为∅20mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.5m，钢材屈服强度为335MPa，螺纹长度150mm。钻头直径为28mm，树脂加长锚固，采用一支规格为CKb2340，另一支规格为Z2388的锚固剂。采用高强度方形带拱托盘，规格为150mm×150mm×8mm，力学性能与杆体相匹配，配调心球垫和减摩垫圈。采用厚度3mm、宽280mm、长度4300mm、孔间距1000mm的W钢带作为锚杆配套构件。采用8#铁丝编织的菱形金属网护顶，网孔规格50mm×50mm，网片规格4700mm×1200mm。锚杆排距1100mm，每排5根锚杆，间距1000mm。锚索材料为∅21.6mm，17股高强度低松弛预应力钢绞线，长度6.3m，钻头直径为30mm，采用一支CKb2340和两支Z2388树脂锚固剂，呈“二·二”布置，排距2200mm，间距1800mm。用300mm×300mm×14mm高强度方形带拱托盘，配调心球垫。锚索初始张拉至200kN。

4.1.2 巷帮支护

巷帮锚杆杆体为∅20mm左旋无纵筋螺纹钢筋，钢材屈服强度为335MPa，长度2.0m，螺纹长度150mm。钻头直径为28mm，树脂加长锚固，采用一支规格为Z2388的锚固剂。采用高强度方形带拱托盘，规格为150mm×150mm×8mm，力学性能与杆体相匹配，配调心球垫和减摩垫圈。采用钢筋托梁联接锚杆，用直径12mm的钢筋焊接而成，托梁宽度为80mm，长度为2600mm，锚杆孔中心间距为1200mm。采用∅4mm的钢筋网护帮，网孔规格为100mm×100mm，网片规格为1100mm×2200mm。锚杆排距1200mm，每排每帮3根锚杆，间距1200mm。

顶帮锚杆预紧扭矩均不低于280N·m，且垂直顶板和帮部打设。锚杆锚索支护如图4所示。

图4 锚杆锚索支护(mm)

4.2 支护效果分析

4.2.1 巷道表面位移监测

在巷道掘进100m后，对巷道的顶板下沉量和两帮移近量进行了监测，结果如图5所示，从图5中可以看出：巷道顶板下沉量35mm，两帮移近量37mm，顶板下沉量在距迎头45m时基本保持稳定，两帮移近量在距迎头50m时基本保持稳定；巷道围岩变形量不大，但是变形持续时间相对较长。

图5 巷道表面位移变化曲线

4.2.2 锚杆及锚索受力分析

在施工巷道安装10组锚杆测力计，6组锚索测力计，锚杆、锚索受力变化情况分别见表2、表3。由表2、表3可知，锚杆预紧力均值54.6kN，锚杆最大受力103kN；锚索预紧力均值101.5kN，锚索最大受力259N。锚杆测力计受力稳定后与安装初始值相比变化量为0～52.3kN；锚索测力计受力稳定后与安装初始值相比变化量为0～198kN。从锚杆锚索受力监测结果分析，对锚杆锚索施加较高的预紧力后，多数锚杆锚索的受力变化不大，锚索锚索支护系统的稳定性较好。

表2 锚杆受力变化情况 kN

表3 锚索受力变化情况 kN

综上分析，通过巷道表面位移和锚杆锚索受力监测结果可知，在高预紧力强护表构件支护后，巷道顶板形成类刚性结构顶板，巷道围岩变形量小，锚杆-围岩支护承载体系稳定性好。

5 结 论

1)三交河煤矿11-1052巷道顶板煤岩层探测结果表明，巷道顶板泥岩的厚度0.8～3.5m，顶板10#煤层厚度1.1～1.9m，煤岩体厚度变化大，且直接顶板泥岩岩性软弱，导致巷道围岩控制困难。10-001工作面采空后，距采空区边缘16m处侧向支承应力值10.68MPa，应力集中系数1.49，应力集中系数相对较高。

2)三交河煤矿11-1052巷道采用以锚杆支护为主、锚索支护为补强的支护体系，提高顶板锚杆支护构件的强度和刚度，加强帮部护表构件的强度，把厚度小、强度低的复合顶板加固为厚度大、抗变形能力强的类刚性结构顶板。并在井下进行了巷道支护方案试验，巷道表面位移和锚杆锚索受力监测结果表明，巷道围岩变形量小，锚杆-围岩支护承载体系稳定性好。该支护技术能够满足三交河煤矿复合顶板应力集中区巷道围岩控制的需求。