裕泰煤业15104工作面复合顶板巷道围岩控制技术研究

高志伟

(阳煤集团 裕泰煤业有限公司，山西 平定 045200)

1 工程概况

阳煤集团裕泰煤业15104工作面位于井下一采区，所处水平为+510 m水平，工作面西部为矿井边界保护煤柱和苏家岭村庄保护煤柱，东邻二水平轨道巷，北邻15102工作面(已采)，南邻15106工作面(未掘)。工作面走向长度为141 m，倾斜长度为641 m，开采煤层为15号煤，煤层平均厚度为5.31 m，含有2层泥质夹矸，厚度为0.5 m，平均倾角4°，工作面区域直接顶为砂质泥岩与黑色页岩互层，均厚为7.5 m，基本顶为K2石灰岩，均厚为4.4 m，含有两层泥质夹层；底板为砂质泥岩和细砂岩。

15104工作面回风巷沿煤层底板掘进，掘进宽度×高度=4.3 m×2.7 m，由于巷道顶板为复合顶板，稳定性较差，为控制顶板岩层的变形，保障围岩的稳定，进行围岩支护方案的设计与研究。

2 复合顶板围岩控制机理

影响复合顶板巷道稳定的因素众多，主要包括巷道断面的尺寸、顶板岩层的赋存特征、岩层间滑移面的强度等。由于复合顶板岩层间的接触多，顶板岩层在巷道掘进和工作面回采扰动下易出现离层现象。在顶板岩层滑移面区域，易出现剪切运动，滑移面剪切运动后，顶板的稳定性会大幅降低，顶板下沉量会大幅增大。基于上述特点，针对复合顶板巷道，围岩控制技术应注重以下几个方面：①加固滑移面的抗剪强度，防止顶板岩层间剪切滑移现象的出现；②通过采用高预应力锚杆支护，有效增强复合顶板岩层间的结合力，防止岩层间出现离层现象。

1) 锚杆对滑移面的加固作用。锚杆索支护技术中，锚杆的预紧力可增强岩层滑移面摩擦阻力，且锚杆能够将滑移面两侧的岩层组合在一起，控制岩层间的相互错动，具体滑移面采用锚杆支护后的力学模型如图1所示。

图1 滑移面锚杆支护后受力示意

根据相关研究可知[1]，滑移面采用锚杆支护后的抗剪强度τbj表达式为：

τbj=τi+τbd+τbi+τbs

(1)

式中：τi为滑移面的抗剪强度；τbi为锚杆轴力沿滑移面法向抗剪强度；τbd为锚杆组合作用换算的抗剪强度；τbs为锚杆轴力沿滑移面切向抗剪强度。

根据复合顶板的特征，考虑到锚杆扩散角度的问题，一般锚杆选择与岩层成90°安装，但这并不是最合理的安装角度，采用理论分析，通过对锚杆安装角度取极值，能够得出锚杆的最佳安装角度θopl的表达式为：

(2)

式中：τb为锚杆横截面上的平均剪应力；φj为滑移面的内摩擦角；φ0为锚杆单轴压缩时煤岩体的内摩擦角；σb为锚杆的轴力；R为锚杆的长度。

由此可知，锚杆的最佳安装角度与锚杆轴向、剪应力分布及滑移面的摩擦角有关，根据式(2)，采用Matlab软件绘制得出直径 20 mm的20 MnSi左旋螺纹钢锚杆最佳安装角度θopl与锚杆单轴压缩时煤岩体的内摩擦角φ0之间的关系如图2所示。

图2 锚杆最佳安装角与煤岩体内摩擦角的关系

由图2可知，在煤岩体硬度增大时，随着煤岩体内摩擦角的增大。锚杆支护中的安装最佳角度也逐渐增大。当煤岩体内摩擦角为20°时，锚杆的最佳安装角度为38°；当煤岩体内摩擦角增大为25°时，锚杆的最佳安装角度为43°。根据15104工作面顶底板岩层的条件，得出直接顶砂质泥岩与黑色页岩互层岩体的内摩擦角平均约为15°，据此确定顶角和帮角锚杆的安装角度为35°。

2) 高预应力锚杆支护。锚杆支护体系中，预应力作为支护中的关键参数，决定着锚杆的支护效果，在进行锚杆与预紧力的设置时，应确保施加的预紧力能够有效控制岩层间离层和滑动现象的出现[2-4]。根据15104工作面的地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件，对锚杆预紧力为20 kN和100 kN时围岩附加应力场分布规律进行了分析。模拟结果见图3。

从图3可以看出，随着预应力的增大，锚杆对浅部围岩的控制效果逐渐增强，控制范围逐渐增大。另外从图中还能够看出，单根锚杆预应力在围岩中的扩散范围有限，无法达到将顶板岩层组合到一起的目的。因此在进行支护作业时，必须设置合理的锚杆间排距，通过锚杆预应力在围岩中的扩散叠加，达到将各个岩层组合在一起、控制围岩稳定的目的。同时，若要使得锚杆施加的预紧力能够有效地在围岩中扩散，还需使用与锚杆相配套的支护构件，如托盘、钢筋/金属网、钢带、钢筋梯子梁等，以此保障锚杆预紧力在围岩体内的有效扩散。

基于此可知，在15104工作面回风巷进行支护作业时，应尽可能地提高锚杆的预紧力，据此确定在锚杆采用直径为20 mm，材质为20 MnSi左旋螺纹钢时，设置顶板锚杆预紧力为70 kN，70 kN的预紧力对应预紧扭矩为400 N·m。

图3 附加应力场分布

3 支护方案及效果

3.1 支护方案

根据15104工作面回风巷的具体地质条件，结合复合顶板围岩控制机理，确定回风巷采用高预应力锚杆支护技术，具体支护参数如下：

1) 顶板支护。锚杆采用规格为D20 mm×2 400 mm的高强左旋螺纹钢，间排距为800 mm×800 mm，锚固采用树脂加长锚固，预紧扭矩为400 N·m，顶角锚杆与巷道顶板成35°，其余锚杆均垂直顶板安设；锚索采用规格为D17.8 mm×7 000 mm的1×7股钢绞线，间排距1 600 mm×2 400 mm，锚固方式采用树脂加长锚固，锚固长度1 460 mm，锚索全部垂直于顶板打设，另外采用钢筋梯子梁(D12 mm钢筋焊制)将锚杆索有效连接，采用10号铁丝编织的钢筋网进行护表。

2) 两帮支护。锚杆采用与顶板相同的锚杆，间排距为800 mm×800 mm，锚固方式同样为树脂加长锚固，除角锚杆与巷帮成35°布置外，其余锚杆均垂直于巷帮安设，锚杆预紧扭矩为250 N·m，通过钢筋梯子梁(D12 mm钢筋焊制)将同一断面锚杆连接为一个整体，另外为保障巷帮表面围岩体的稳定，采用10号铁丝编织的钢筋网进行护表。

具体回风巷高预应力支护方案如图4所示。

图4 巷道支护示意(mm)

3.2 支护效果

在15104工作面回采期间，在回风巷超前工作面150 m的位置处布置巷道表面位移监测站，并进行持续监测，得出巷道表面位移与回采工作面距离间的关系曲线，如图5。

图5 回采期间巷道围岩表面位移曲线

由图5可知，工作面回采期间，在测站与工作面的距离大于100 m时，巷道围岩基本保持稳定，变形量较小；当测站与工作面之间的距离小于100 m时，巷道围岩开始逐渐变形，且随着回采的推进，围岩变形速率逐渐增大，当工作面回采至距离测站10 m时，顶底板和两帮移近量分别为98 mm和153 mm。基于上述数据可知，回风巷在现有支护方案下，围岩变形量较小，保障了巷道围岩的稳定，回采巷道的变形满足在整个服务期间的使用要求。

4 结 语

根据15104工作面回风巷复合顶板特征，通过分析锚杆对滑移面的加固作用及高预应力锚杆支护作用，确定出回风巷的锚杆安装角度为35°，顶板锚杆预紧扭矩为400 N·m，并进行了高预应力锚杆支护方案的设计，根据工作面回采期间的表面位移监测结果得出，回风巷在该种支护方案下变形量较小，满足回采巷道的使用要求。