大倾角复合顶板巷道破坏特征及控制技术研究

张书龙

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿，山西 古交 030200）

镇城底矿28105运输顺槽地质构造复杂，平均倾角36°，巷道顶板松软，采用原支护方式存在巷道围岩变形量大、支护效果差、支护成本高等问题。结合矿井实际条件，理论计算确定巷道支护参数，并进行了现场工业性试验，为巷道支护设计提供科学依据。

1 概况

镇城底矿隶属于山西焦煤集团，井田位于西山煤田的西北边缘，核定生产能力190万t/a，地质构造复杂，全区以断裂构造为主，部分区域陷落柱较发育。28105综采工作面水平标高-580m，位于二盘区。28105综采工作面南邻采区下山煤柱，北邻工业广场保护煤柱，东接28108工作面。28105综采工作面所采煤层为8#煤层，煤层平均厚度约为1.58m，煤层倾角15°～43°，平均倾角为36°。工作面煤层顶底板岩性如图1所示。

图1 28105综采工作面顶底板岩性柱状图

2 大倾角复合顶板巷道破坏特征及机理分析

2.1 大倾角复合顶板巷道破坏特征

28105运输顺槽断面为直角梯形，巷道开挖后，复合顶板在上覆岩层载荷作用下发生离层弯曲冒落，进而使巷道两帮及底板向巷道空间内挤压凸出变形。28105运输顺槽围岩变形素描如图2所示。

图2 28105运输顺槽围岩变形素描图

巷道变形破坏呈现如下3个特点：

（1）巷道变形呈现非对称性特征。由于开挖巷道存在一定的倾角，且顶板具有复合特性，使得复合顶板在受沿煤层倾角的分力作用下发生离层现象，导致巷道顶板整体稳定性下降，出现顶板冒落特征。其中靠近巷道上肩角位置处冒落区域较大。此外，巷道两帮及底板受顶板扰动影响发生形变，两帮形变量最大处位于中下部，靠近下帮处底板底鼓量明显。

（2）顶板变形量大于巷帮及底板。根据28105运输顺槽成巷围岩位移监测数据显示，远离回采工作面150m之外，巷道顶板冒顶区域最大冒顶高度为2150mm，而巷道两帮及底板最大形变量分别为960mm、1640mm。

（3）巷道底鼓具有区域性变化规律。受工作面采动影响，巷道底鼓剧烈，在超前工作面150m处巷道底鼓量急剧增加，最大底鼓量可达到近2420mm，严重影响巷道正常使用。

2.2 大倾角复合顶板巷道破坏机理分析

大倾角复合顶板巷道与岩层间的特殊位置关系导致顶板岩层与水平方向存在很大的夹角，故而导致巷道顶板不仅受垂直向下的分力影响，还受沿煤层倾角的分力作用，巷道顶板受力复杂。此外，复合顶板岩层厚度较小，岩层间存在弱结构面，不仅导致复合顶板岩层间粘结力较弱，而且裂隙较为发育。当巷道开挖后，顶板大面积裸露，复合顶板岩层受到扰动，岩层间裂隙再度发育，出现离层现象，如图3所示，易形成冒落“三角拱”。随着顶板进一步破坏，巷道围岩应力逐渐向巷道两帮转移，由于巷道倾角的存在，导致两帮应力集中呈现非对称性特征。故而巷道两帮围岩变形破坏呈现非对称性特征，其中靠近肩角处两帮变形最为严重。巷道顶板及两帮的变形破坏，致使巷道断面围岩整体性降低，底板随之发生底鼓现象。

图3 巷道复合顶板离层示意图

3 大倾角复合顶板巷道控制技术

3.1 巷道支护参数设计

根据28105运输顺槽工况，采用锚杆、锚索进行巷道支护，采用理论计算方法进行参数计算，计算结果如下：

（1）锚杆长度计算

巷道顶板锚杆长度为La，其理论长度如式（1）所示：

式中：

L1-锚杆外露端长度，取0.1m；

L2-锚杆有效作用长度，其值根据工作面顶底板岩性柱状图给出，取1.8m；

L3-锚入稳定岩层的锚杆长度，取0.4m。

顶板锚杆理论计算结果为2.3m，考虑到锚杆选型方便，最终确定La=2.4m。

巷道帮部锚杆长度为Lb，其理论长度如式（2）所示：

式中：

L1'-巷帮两侧承载区宽度，取1.8m；

L2'-锚杆外露端长度，取0.1m；

L3'-锚入稳定岩层的锚杆长度，取0.5m。

经过计算确定，顶板锚杆与帮部锚杆长度相同，即La=Lb=2.4m。

（2）锚杆间排距计算

锚杆间距为D1，其理论长度如式（3）所示：

式中：

K-锚固方式系数，取1.1；

I-锚固区围岩完整性系数，根据围岩破坏程度取0.8；

f-围岩普氏系数，取2。

锚杆间距理论计算结果约为0.7m，考虑到现场施工，最终确定D1=0.8m。

锚杆排距为D2，其理论长度如式（4）所示：

经过计算确定，锚杆排距约为D2=0.9m。

（3）锚杆直径计算

锚杆直径为D，其理论直径如式（5）所示：

式中：

Q-锚杆锚固力，取80kN；

σt-锚杆抗拉强度，经验取值250MPa。

经过计算确定，锚杆直径约为15.92mm，结合锚杆生产规格，最终确定D=20mm。

（4）锚索长度计算

锚索长度为Lc，其理论直径如式（6）所示：

式中：

La'-锚索深入稳定层锚固长度，取1.9；

Lb'-悬吊不稳定岩层厚度，取3m；

Lc'-上托盘及锚具厚度，取0.2；

Ld'-需要外露的张拉长度，取0.35m。

锚索长度理论计算结果约为5.45m，考虑到现场巷道复合顶板易离层冒落，最终确定Lc=6.3m。此外根据28105运输顺槽地质工况，确定锚索间排距为1500mm×900mm。

3.2 支护材料选型及设计

根据3.1确定的巷道支护参数，进行支护材料选型。其中锚杆、锚索及金属网如下所示：

（1）锚杆。锚杆选取型号为GM20/2400-490的高强锚杆。顶板锚杆间排距为900mm×900mm，两帮锚杆间排距为800mm×900mm。托盘型号：TPM150×150/10，岩层及煤层锚杆锚固力分别为80kN和60kN。

（2）锚索。锚索选取型号为YMS17.8/6.3-1860的高强锚索。间排距为1500mm×900mm。托盘型号：TPM200×200/10，预紧力80～100kN，锚固力不小于200kN。

（3） 金 属 网。 顶 板 选 取 长 × 宽=2500mm×1000mm钢筋网，帮部选取长×宽=1900mm×1000mm钢筋网。

由2.1节巷道变形破坏特征可知，大倾角复合顶板巷道上隅角、下帮及上帮靠近顶板部位易破坏，故应加强支护。巷道支护设计如图4所示。

图4 28105运输顺槽巷道支护设计图

3.3 现场工业性试验

采用3.2节给出的大倾角复合顶板巷道支护设计对28105运输顺槽300m的试验段进行支护，同时对巷道顶底板及两帮进行了为期200d的位移监测，监测结果如图5所示。

图5 28105运输顺槽试验段围岩位移监测数据

由图5可知，在观测期内28105运输顺槽底板变形量最大，上帮次之，顶板最小。在前50d之内，巷道顶板、上帮围岩变形较为剧烈，说明巷道围岩应力主要作用于该部位；100d到175d之内，巷道底板和下帮围岩变形速度急剧增加，说明巷道围岩应力发生转移，印证了大倾角巷道围岩受力不均匀特性，围岩呈现非对称性破坏特征。

4 结论

（1）大倾角复合顶板巷道围岩变形呈现非对称性特征，复合顶板在受沿煤层倾角的分力作用下易发生离层现象，导致巷道顶板整体稳定性下降，进而引起巷道两帮及底板向巷道空间内挤压变形。

（2）针对大倾角复合顶板巷道围岩变形特征，依据理论计算方法进行支护参数设计并进行了材料选型，同时进行了工业性试验。试验结果显示，巷道围岩得到有效控制。