紫晟煤业复合型软弱顶板岩层控制技术

2021-12-17李大龙

现代矿业 2021年11期

李大龙

（霍州煤电集团紫晟煤业有限责任公司）

矿井顶板的安全治理是安全生产的重要问题［1］，对于复合型顶板而言，已有不少学者进行过研究，并提出相应的支护方案，但是对于复合型软弱顶板岩层控制却少见［2-4］。

1 工程概况

紫晟煤业地表地形以丘陵耕地为主，地面标高为+593～+634 m，地表无建筑物，地表盖山厚度为430～482 m，矿井目前正在回采工作面2-105，煤层编号为2#，工作面回采期间，裂隙带虽然有一定程度的扩大，但是影响范围较小，对地表的影响可以忽略。

回采工作面的平均厚度为3.42m，煤层的平均倾角为10°，煤层顶底板岩性如表1所示。根据表1所示的结果，顶板岩层由呈现层状分布的泥岩和砂岩组成，为典型的复合型顶板。复合型顶板含有软弱性岩层，因此顶板的稳定性较差，需要对支护方案进行优化，以确保后期回采工作的顺利进行。

2 复合型软弱顶板岩层数值模拟

对于复合型顶板（含有软弱顶板岩层）而言，巷道围岩的变形破坏主要以离层破坏为主，不同岩层之间的错位移动是最常见的变形，因为不同岩层力学性质的差异以及上覆岩层的重力作用，导致错位移动受到一定的约束作用，造成层间力随埋深的增加呈现增加的趋势。

在巷道开挖后，围岩原岩应力破坏，应力重新分布，在工作面的回采过程中，受到扰动影响，围岩应力会再次进行分布，这是一个持久性的过程，如果不对围岩变形进行控制，离层失稳将造成工作面的停产，甚至造成人员的伤亡。在实际工程中，考虑到监测时间的持久性和经济效益，很难长时间地实现围岩受力及变形状态的监测，因，此利用数值模拟软件对开采扰动下巷道围岩进行模拟，在宏观层面得到围岩的变形特征，根据模拟结果，可针对性地进行支护方案的设计。

本次模拟对象为与工作面采空区相邻的回风下山和轨道下山，巷道断面均为矩形，巷道尺寸均为5 m×4.25 m（宽×高），数值模拟采区剖面图如图1，2条巷道原支护方案均采用锚喷网支护，在回采扰动下，围岩变形较大，因此需要进行支护方案优化。

根据采区剖面图和岩层顶底板岩性，建立尺寸为100 m×50 m×100 m的模型，定义底部为固定边界，两边为水平移动边界，上表面施加的初始应力值为10 MPa。

对轨道下山和回风下山进行数值模拟分析，得到图2、图3所示的结果，从图2（a）可以看出，顶板岩层受到的水平应力在岩层界面出现明显的转折，因此层间是容易出现错动的位置；整体而言，在岩层以及煤层重力的作用下，围岩受到的水平应力值较小，当水平应力值大于煤层强度时，岩层间出现剪切破坏，因此造成水平应力向浅部岩层移动，模拟结果显示水平应力集中区域主要出现在砂质泥岩的上部。从图2（b）可以看出，复合顶板区域受到的垂直应力值较小，巷道两帮的应力值也较小，在巷道两帮1 m的位置出现应力集中现象；分析原因，复合层状顶板在受力作用下因为软弱岩层的存在，导致垂直应力向巷道两帮转移，因此在巷道两帮出现应力集中区域（垂直应力核）。因此可以看出，在巷道开挖后，轨道下山围岩应力状态从三向平衡状态转向不平衡的二向受力状态，复合顶板的存在导致岩层积聚的弹性能向埋深较大的区域转移，造成了巷道两帮的应力集中现象，巷道围岩将会产生严重变形。

回风下山数值模拟云图与轨道下山数值模拟云图相似，从图3（a）可以看出，顶板砂岩层出现应力集中区域，因此可以得到，复合顶板中的软弱岩层承载能力较弱，较大应力作用下产生变形，导致水平应力集中向埋深较浅的稳定岩层转移；对于图3（b）所示的垂直应力云图而言，巷道两帮处的应力集中区域较轨道下山有了明显的增加，说明顶板砂质泥岩岩层甚至煤层已经发生破坏，弹性能的释放致使垂直应力集中区域增加，巷道围岩将会产生严重变形。

根据数值模拟结果可以看出，原有的支护方案围岩稳定性较差，巷道应力集中区域明显，在后期采动影响下，巷道围岩的受力变形将会持续增加，因此需要进行补强加固，以防止围岩的失稳。

3 工程应用

为了防止复合顶板离层破坏，控制巷道围岩的变形，对轨道下山和回风下山进行加强支护方案的设计，提高支护体的承载能力，控制顶板离层量和两帮的变形量。因为轨道下山和回风下山变形特征相似。工程应用以回风下山为例进行讨论，对轨道下山的支护不再进行赘述。

3.1 锚注支护参数

数值模拟结果显示，砂质泥岩岩层在原有支护方案下变形严重，围岩稳定性较差，因此选用锚注支护方案，通过向泥岩岩层中注浆的方式提高泥岩岩层的强度，减少复合型岩层的离层量。因为注浆巷道的服务年限较长，注浆材料应该选择强度大、硬化快的材料，根据以往生产经验，水灰比为0.7∶1的无机注浆材料满足本次加强支护方案的要求，采用管长为3 m、直径为28 mm的钢管进行注浆，注浆孔的间排距为1.5 m×2.5 m，其中，注浆锚索的直径为21.6 mm，长度为6 300 mm，间排距为1.4 m×1.6 m。

3.2 注浆施工范围及工艺

实际工程中，矿井回风下山0～400 m范围内顶板下沉严重，巷道两帮收敛量大，本次注浆施工选择变形较大的0～100 m范围内进行试验，通过注浆配合注浆锚索的方式完成联合支护。

注浆流程：首先进行糊缝操作；然后对3 m范围内的岩层进行浅部注浆工艺；最后进行预应力锚索的支护，通过锚索孔进行最终的注浆工作，完成对整个顶板岩层的注浆施工。

浅部注浆压力维持在4 MPa，确保浆液充分扩散，注浆时钻孔角度为7°，巷道两帮处注浆角度控制在25°左右，确保浆液充分扩散到两帮的松散岩层中。

注浆锚索直径为21.6 mm，长度为6 300 mm，间排距为1.4 m×1.6 m，通过锚杆钻机进行扩孔，待锚索和注浆管安装完成后，进行锚索的预紧，随后利用注浆管进行无机材料浆液，浆液注满后完成施工。

施工完成后，在巷道顶板和两帮处每隔10 m布置1个测点，监测巷道围岩的变形，通过对40 d内10组测点进行均值的求取，得到图4所示的围岩变形观测曲线，从图4中可以看出，40 d内巷道顶板的最大下沉量为39 mm，两帮最大收敛量为25 mm，且在支护的监测中，巷道围岩变形无明显大范围的波动，表明支护方式起到很好的支护效果，有效控制了围岩的变形。