深部复合顶板巷道变形破坏特征及支护技术.pdf

工矿自动化 Indus t rya nd MineAut o ma t io n 第46卷第10期 2020年10月 Vo l. 46 No . 10 Oct .2020 文章编号1671-251X2020 10-0080-07DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2020020009 深部复合顶板巷道变形破坏特征及支护技术 秦海忠r 付玉凯2 王涛％ 1.晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿％山西晋城048000； 2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013 扫码移动阅读 摘要针对深部复合顶板巷道易冒顶、大变形、难支护等问题，以晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿 53182巷为研究对象，分析了深部复合顶板巷道变形破坏特征顶板变形以浅部离层为主，离层主要出现在 不同岩层分界面处；顶角和顶板两侧锚杆主要在煤岩分界面处出现明显剪切变形，顶板中部锚杆在弱胶结岩 层和锚杆锚固段与自由段分界面处剪切变形较大；顶板岩层经历了巷道初掘时原岩状态及巷道掘出后稳定 状态、临界失稳状态、失稳状态的过程数值模拟结果表明随着锚杆预紧力的增加，顶板塑性区范围和垂直 位移明显减小，锚杆对顶板离层和下沉的抑制作用更好；高预应力锚杆发挥了主动支护作用，同时大幅度提 高了围岩的自承载能力提出了高预应力长短锚索相结合、配合钢筋网和W钢带的深部复合顶板巷道支护 对策，可大幅度提高复合顶板支护刚度，对顶板下沉和离层形成约束，增强复合顶板岩层整体稳定性工程 实践表明高预应力支护有效控制了复合顶板离层和下沉，浅部离层值控制在30 mm以内，深部离层值控制 在10 mm以内，两帮移近量控制在80 mm以内，顶板下沉量控制在43 mm以内，巷道围岩稳定性、完整 性 关键词复合顶板；深部巷道；巷道变形破坏；巷道支护；高预应力 中图分类号TD322 文献标志码A Def o rma t io na ndf a ilurecha ra ct erist ics a ndsuppo rt t echno lo gyo f deep ro a dwa y wit h co mpo s it e ro o f QIN Ha izho ng1 , FU Yuka i2, WANG Ta o2 1. Chengzhua ng Co a l Mine, J incheng Blue Fla me Co a l Indust ry Co . , Lt d. , J incheng 048000, China; 2. Co a l Mining a nd Designing Depa rt ment , Tia ndi Science a nd Techno lo gy Co . , Lt d., Beijing 100013, China Abstract In v iew o f pro blems o f deep ro a dwa y wit h co mpo sit e ro o f , such a s ea sily ro o f f a lling, la rge def o rma t io n a nd dif f icult suppo rt , t a king 53182 ro a dwa y o f Chengzhua ng Co a l Mine o f J incheng Blue Fla me Co a l Indust ry Co . , Lt d. a s resea rch o bject , def o rma t io n a nd f a ilure cha ra ct erist ics o f deep ro a dwa y wit h co mpo sit e ro o f were a na lyzed. It is f o und t ha t ro o f def o rma t io n is do mina t ed by sha llo w sepa ra t io n la yer, which ma inly o ccurs a t int erf a ce o f dif f erent ro ck st ra t a . Shea r def o rma t io n o f bo lt s in t o p co rner a nd t wo sides o f ro o f o ccurs ma inly a t co a l-ro ck int erf a ce, a nd shea r def o rma t io n o f bo lt s in t he middle o f ro o f is rela t iv ely la rge a t wea kly cement ed st ra t a a nd int erf a ce bet ween a ncho r sect io n a nd f ree sect io n. Ro o f st ra t a experiences pro cesses o f o rigina l ro ck s a t e during init ia l exca v a t io n o f ro a dwa y, a nd st a ble st a t e, crit ica l inst a bilit y st a t e a nd inst a bilit y st a t e a f t er ro a dwa y exca v a t io n. The numerica l simula t io n result s sho w t ha t wit h t he increa se o f bo lt prelo a d, pla st ic zo ne ra nge a nd v ert ica l displa cement o f ro o f decrea se o bv io usly, which indica t e bo lt ha s bet t er inhibit ing ef f ect o n ro o f sepa ra t io n a nd subsidence. High 收稿日期收稿日期020-02-08 责任编辑责任编辑盛男。 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目1804159天地科技创新创业资金专项项目2019-TDQN004。 作者简介作者简介秦海忠1971 ,男，山西晋城人，高级工程师，硕，硕士，主要从事煤矿生产技术幵发与管理工作,E-ma il543913570qq. co m。 引用格式引用格式秦海忠，付玉凯，王涛深部复合顶板巷道变形破坏特征及支护技术工矿自动化2020,46108086. QIN Ha izho ng, FU Yuka i, WANG Ta o . Def o rma t io n a nd f a ilure cha ra ct erist ics a nd suppo rt t echno lo gy o f deep ro a dwa y wit h co mpo st e ro o f [J Indust ry a nd Mine Aut o ma t io n, 2020,4610 80-86. 2020年第10期秦海忠等深部复合顶板巷道变形破坏特征及支护技术・81・ prest ressed bo lt pla ys a n a ct iv e suppo rt ro le a nd grea t ly impro v es self -bea ring ca pa cit y o f surro unding ro ck. Suppo rt co unt ermea sures o f deep ro a dwa y wit h co mpo sit e ro o f wit h high prest ressed lo ng a nd sho rt a ncho r ca bles co mbined wit h st eel mesh a nd W st eel st rip were put f o rwa rd, which co uld grea t ly impro v e suppo rt st if f ness o f co mpo sit e ro o f , f o rm co nst ra int s o n ro o f subsidence a nd sepa ra t io n, a nd enha nce o v era ll st a bilit y o f co mpo sit e ro o f st ra t a . The engineering pra ct ice sho ws t ha t high prest ressed suppo rt ef f ect iv ely co nt ro ls sepa ra t io n a nd subsidence o f co mpo sit e ro o f . Sha llo w sepa ra t io n v a lue is co nt ro lled wit hin 30 mm, deep sepa ra t io n v a lue is co nt ro lled wit hin 10 mm, t wo sides displa cement is co nt ro lled wit hin 80 mm, a nd ro o f subsidence is co nt ro lled wit hin 43 mm. The a bo v e v a lues indica t e st a bilit y a nd int egrit y o f surro unding ro ck. Key words co mpo sit e ro o f; deep ro a dwa y; def o rma t io n a nd f a ilure o f ro a dwa y; ro a dwa y suppo rt; high prest ress 0引言 随着煤炭开采深度与强度的增大，地应力水平 不断升高，巷道围岩松软、破碎程度越来越严重，锚 杆与锚索破断失效现象增多，巷道顶板冒落的危险 性增大，造成深部巷道支护难度增加（1「2）。受成矿地 质条件的影响，我国许多矿区的主采煤层上部为复 合顶板，复合顶板岩层裂隙发育、层间粘结力小，且 强度低、整体稳定性差，巷道开挖后容易离层破 坏（3-4］，深部复合顶板巷道支护技术是亟待解决的技 术难题之一「5勺o 柏建彪等⑺针对深部复合顶板极软煤层巷道围 岩破坏特点，提出了运用注浆及锚杆支护控制巷道 围岩稳定、加强顶板支护强度、充分利用围岩自身承 载能力的支护理念。康红普等「8切针对复杂困难巷 道地质条件，提出了高预应力、高刚度支护理念- 姜耀东等（10）研究了高强度高预应力锚杆（索）、金属 网和喷浆加固及U型钢在控制围岩变形中的互补 作用，提出了极软岩回采巷道互补控制支护技术 高明仕等（1门针对厚层软弱复合顶板巷道单一长度 锚 强 形成稳 承载 特 ， 提出了“锚杆短锚索长锚索”的梯次支护技术 杨峰等（12）通过理论分析、数值模拟结合工程实践， 对复合顶板巷道变形破坏机理及相应的锚杆支护技 术进行了研究。 本文以晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿 53182巷为工程背景，分析了复合顶板巷道变形破 坏特征，研究了不同锚杆预紧力对复合顶板离层的 控制作用，提出了高预应力长短锚索相结合的深部 复合顶板巷道支护方案，可有效控制深部复合顶板 巷道的变形破坏。 1 工程概况 成庄矿5318工作面主采3号煤层，工作面埋深 600 m左右，煤层平均厚度为6. 36 m,倾角为4。 工作面岩性柱状图如图1所示。直接顶为砂质泥 岩，平均厚度为6. 22 m,直接顶中局部含有泥岩、煤 线等，层理发育，岩层间胶结性差，属于典型的复合 顶板岩层。直接顶上部为细粒砂岩和砂质泥岩，平 均厚度分别为0. 80,7. 98 m,中间含有若干煤线、炭 质泥岩夹层。煤层底板为厚度13. 18 m的砂质泥 岩。工作面范围有断层、褶皱等小型构造，小型构造 区域顶板破碎，对巷道支护有较大影响。 柱状图层厚/m 岩石 名称 岩性描述 7.98 砂质 泥岩 黑色，层理发育,质软不坚硬， 岩芯完整性差 卜 0.80细粒砂岩灰色，含石英、长石，岩芯坚硬 6.22 砂质 泥岩 黑色，层理发育,质软不坚硬， 岩芯完整性差 6.36 3号煤 黑色，似金属光泽，下部夹泥岩 约0.70 m,条带状结构 13.18 砂质 泥岩 黑色，层理发育,质软不坚硬， 局部比较松散 图1工作面岩性柱状图 Fig. 1 Ro ck st ra t um hist o gra m o f wo rking f a ce 工作面巷道布置如图2所示。53182巷宽5 m、 高3.5 m,沿3号煤层顶板掘进。巷道顶板采用锚 杆支护，锚杆长度为2. 4 m,每排布置6根锚杆，锚 杆间排距1 mX1 m,锚杆中部打设锚索，锚索长度 为7. 4 m,每排布置3根锚索；巷帮布置4根锚杆, 锚杆间排距1 mX1 m,顶板和两帮均采用菱形金属 网护顶和护帮。 5318工作面地应力测试结果最大水平主应力 为15. 29 MPa ,垂直主应力为11. 36 MPa ,最小水平 主应力为8. 31 MPa；最大水平主应力方向与53182 ・82・ 工矿自动化 第46卷 53182巷 图2工作面巷道布置 Fig. 2 Ro a dwa y la yo ut o f wo rking f a ce 巷走向夹角为65. 3,大于45,不利于巷道顶底板 稳定。巷道 10 m 内复合岩层单轴抗压强 度测试结果0〜1. 5 m范围内强度为0〜10 MPa， 强度极低；1. 5〜4. 5 m范围内强度为15〜25 MPa， 强度中等；4. 5〜5. 5 m范围内强度为0〜10 MPa， 强 5 5 〜7 m 内 强 为 50 〜55 MPa ， 强 度较高；7〜10 m范围内强度为15〜70 MPa ,强度 异较大。 看，复合 岩层强度低，岩层类 型多，各岩层强 异大,不利于巷道围岩稳定。 2深部复合顶板巷道变形破坏特征深部复合顶板巷道变形破坏特征 2.1 板 破坏 征 53182巷开掘不久，顶板许多区域出现明显离 ， 80 mm， 40 mm， 接顶风化、破碎严重，顶板网兜 ，部分区域需要 放 分碎a ,锚 ，已无主动 力。 中部出 沉，锚杆受力达150 kN 上，个别 出现锚杆和锚 象，顶板维护 困难。为了防 变形 致 ，打设 了单 和工字钢梁进行补强支护，但未儀 制 沉,钢梁出 ，单 受力较 大,许多单 出 载卸压。 采 窥视仪对 明显区域进行窥 视，结果如图3所示。可看出距顶板上方4 m范围 内围岩破碎，不同岩层分界面出现明显 ；距顶 板上方4〜6 m范围内存在较大离层；距顶板上方 6 m以外岩 相对较好，但 向深 部进一步发育 ，围岩 稳定。 图3 窥 果 Fig3 Peepres ult s o f ro o f driling 2. 2 顶板锚杆变形破坏特征 在53182 变形 取出位于同一排 的6根锚杆，从左至右分别为16号，锚杆变形素 图4所示。 1号、6号锚杆取自顶角位置，在煤岩分界面附 近锚杆出现明显剪切变形，变形量分别为18. 2, 17.6 cm,剪切变形方向朝向巷道中部；在弱胶结岩 层和锚杆锚 自 分界面处锚杆基本无剪切 变形。2号、5号锚杆取自巷道顶板两侧，在煤岩分 界面处锚杆剪切变形较大，变形量分别为23. 5, 15.4 cm；在弱 岩层和锚杆锚 自由段分 界面处锚 一定程 剪切变形。3号、4号锚 杆取自巷道顶板中部，上 锚杆相比，中部锚 在煤岩分界面处剪切变形程 小，变形量分别 1号 6.25 6.00 5.75 4.00 3.75 6号 三厂锚杆锚固段 与自由段 ； 分界面 3 50__I__I __I__I ___I__I ___I__I ___I__I ___I__I 0 10 20 0 10 20 0 10 20 0 10 20 0 10 20 0 10 20 距钻孔距离/cm 图4顶板锚杆变形素描 Fig 4 Def o rma t io nsket cho f ro o f b o lt 2020年第10期秦海忠等深部复合顶板巷道变形破坏特征及支护技术・83・ 为5. 7,5. 3 cm；在弱胶结岩层和锚杆锚固段与自由 分界面处锚杆剪切变形程度较大。 2. 3 顶板岩层变形过程 53182巷复合顶板岩层变形过程如图5所示。 a 巷道掘进初期b巷道掘出1个月 离层 离层 c巷道掘出3个月 d巷道掘出6个月 图5复合顶板岩层变形过程 Fig.5 Def o rma t io npro ces so f co mpo s it ero o f s t ra t a 道掘进初期，在锚杆和锚 ，顶板岩 层比较稳定, 明显 , 平 ，未出现明显变形。巷道掘出1个月，顶板在水平 力和 力 出 沉，由于 I 顶各岩层力学性质不同，各岩 变形不 ，致 相邻岩 ，但 相对较小，顶板基 本处于稳定状态。巷道掘出3个月，顶板在水平应 力* 力及岩层自重等 强 沉，出 明显 ， 大， 处于 界 稳状 态。巷道掘出6个月，顶板岩 一 沉，发 ，岩 碎呈块状， ，顶板 处于失稳状态。 3深部复合顶板巷道支护深部复合顶板巷道支护 3. 1 锚杆预紧力对复合顶板岩层的控制作用 53182 岩 质 和 道 采用FLAC3D模 合 岩层模型 图6,模型尺寸为40 mX1 mX17. 9 m长X宽X 高，共划分为20 580个单元和30 090个节点，锚杆 锚固长度为800 mm,重力加速度为10 m/s2，模型采 大变形 模式。锚杆及锚 参数按照井 L 号进行设置，每根锚杆划分为24个pile单元, 在锚 内共建7个int erf a ce单元模 理面。 图6复合顶板岩层模型 Fig.6 Mo delo f co mpo sit ero o f st ra t a 不同锚杆预紧力下顶板塑性区范围如图7所 示。可看出打设锚杆后不进行预 ，复合顶板岩 层出 沉，层理面间出 ，浅部岩层主要 靠锚 定在 岩层中，岩层自稳 在长 风 岩层易出 稳 ;预紧力为30 kN时， 一定 减小，但层理 仍有一定 ，复合 岩层自 稳能力差；预紧力为120 kN时， 明 显减小，复合 岩层稳定性明显提高；预紧力为 180 kN时， 基本消失，表明高预应力锚 杆发挥了主动 ，有效抑制 合 提高了复合顶板岩层的整体强度* 稳定性- a 不预紧b预紧力30 kN c预紧力120 kNd预紧力180 kN 图7不同锚杆预紧力下顶板塑性区范围 Fig.7 Pla s t iczo nera ngeo f ro o f underdiferent bo lt prelo a d 不同锚杆预紧力 移如图8 。 186 mm,顶板下沉明显，表明锚杆支护未能发挥浅 可看出锚杆不 预紧力时， 大 移为 部岩层的自承载能力，顶板稳定 ；随着预紧力的 ・84・ 工矿自动化 第46卷 提高，顶板垂直位移逐渐减小，当预紧力增加至 180 kN时，顶板最大垂直位移仅为60 mm左右，表 明高预应力锚杆有助于提高围岩的自承载能力。 a 不预紧 b预紧力30 kN c预紧力120 kN d预紧力180 kN 图8不同锚杆预紧力下顶板垂直位移 Fig. 8 Vert ica l displa cement o f ro o f under diferent bo lt prelo a d 3. 2 深部复合顶板巷道支护对策 合 道 在于控制顶板初期离 层“15。采用高预应力 制复合顶板 初期离层， 对 。 1大幅度提高锚杆索预紧力。高预应力锚 杆索可大幅度提高复合 岩 剪强度，阻 各岩层错动和滑动，抑制裂隙向 岩层发 展。采 锚索替代锚杆，可提高预紧力4〜6倍。 2 合 和 岩 相 合。 合 岩 碎，采 锚索可 岩层 形成预应力梁，且短锚索刚度大，可提高岩 剪强 ； 长锚 可＞分 动 合 岩 承载 力， 岩 稳出 。 3选用高刚度支护配件。钢筋网刚度大，能 提高 合 岩 ； W 表 ，对顶板破碎、易风 岩 制作用更 强，可 形成一个 。 4工程实践 4. 1 支护方案 53182巷支护参数顶板金属网采用钢筋网和 塑料网 网护表，网 格为长5. 5m、宽 1 2 m； 锚 22 mm、 长 473 m， 预 力 为 250 kN,采 长锚固的方式锚固，每排打设5根, 锚索间距1 050 mm、排距1 000 mm,5根锚索采用 W 锁。每2排短锚索中部打设2根 距切眼200 m处巷道两 帮最大移近量为80 mm,为初始巷道宽度的1. 6 , 顶板最大下沉量为43 mm,为初始巷道高度的 1.2。整体来看，巷道两帮移近量、顶板下沉量均 较小，巷道围岩完整性良好。 Fig. 10 Mo nit o ring curv es o f ro a dwa y surf a ce displa cement s 5结论结论 1 深部复合顶板巷道变形以浅部离层为主, 离层主要出现在不同岩层分界面处；顶角和顶板两 侧锚杆主要在煤岩分界面处出现明显剪切变形，顶 板中部锚杆在弱胶结岩层和锚杆锚固段与自由段分 界面处剪切变形较大；顶板岩层经历了巷道初掘时 原岩状态及巷道掘出后稳定状态、临界失稳状态、失 稳状态的过程。 2 通过数值模拟分析了锚杆预紧力对复合顶 板离层的控制作用预紧力较低时，锚杆对复合顶板 离层的控制作用较差，浅部离层较发育；随着预紧力 的增加，复合顶板离层和下沉显著减小。高预应力 锚杆发挥了主动支护作用，同时大幅度提高了围岩 的自承载能力。 3 针对成庄矿5318工作面巷道上部复合顶 板易出现离层、裂隙及弯曲下沉，提出了长短锚索相 结合的支护方案，通过采用钢筋网、W钢带及高预 应力锚索，大幅度提高复合顶板的支护刚度，对顶板 下沉和离层形成约束，增强顶板岩层整体稳定性。 4 支护方案应用结果表明巷道最大浅部离 层值为30 mm,最大深部离层值为10 mm,浅部和 深部离层值均不大，巷道围岩较稳定；巷道两帮最大 移近量为80 mm,顶板最大下沉量为43 mm,两帮 移近量、顶板下沉量均较小，巷道围岩完整性良好。 参考文献References 1 康红普，王金华，林健.煤矿巷道支护技术的研究与应 用[J.煤炭学报 2010,5111809-1814. 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