西曲礦軟巖巷道頂板冒落機理及控制研究

李建軍

（西山煤電（集團）有限責任公司，山西 太原 030053）

0 引言

隨著煤礦開采逐步向深部延伸，礦井開采面臨越來越復雜的環境。由于煤層埋深的增大，井下所有巷道工程都處于較高的應力狀態，并且地質條件更加復雜，對于軟巖巷道，其維護難度加大，井下工作環境十分惡劣[1～2]。山西西曲礦開采煤層埋深較大，達到850～900m，巷道圍巖強度較低，屬于軟巖巷道，井下巷道在掘進和使用過程中，圍巖變形較大，頂板下沉、底臌等現象嚴重，部分巷道頂板冒落區范圍極大，對井下安全生產產生巨大威脅[3～4]。這是因為巷道屬于深井工程，巷道處于較高的應力水平，尤其是軟巖巷道，其頂板結構較弱，極易出現冒落情況，巷道穩定性差[5～7]。

本文針對山西西曲礦18501工作面軟巖巷道頂板大面積冒落的特征，對軟巖巷道頂板結構破壞機理進行研究，基于其特殊地質條件，提出了“錨網索噴+桁架耦合支護”的軟巖巷道圍巖控制措施，并在現場進行了實踐，從而為其他類似條件礦區軟巖巷道工程提供參考。

1 工程概況

圖1 18501工作面綜合柱狀圖

山西西曲礦位于太原市古郊區，主要的開采煤層包括4、7、8和9號煤層，其中8號煤層屬于厚煤層，平均厚度為4m，其他煤層屬于薄及中厚煤層，本次研究選擇為18501工作面回風巷，18501工作面井下位于南五盤區南部，北鄰已回采的18502工作面，南鄰已回采的18307工作面，西鄰南983運輸大巷，東鄰西983運輸大巷。工作面上覆上覆4號煤14501、14504采空區，煤層間距為65米左右。各工作面均留設保護煤柱。工作面周邊無相鄰巷道。工作面開采范圍內，煤層厚度為3.8～4.4m，平均厚度為4.2m，煤層傾角為1～9°，平均為3°，屬于穩定可采煤層。8號煤層結構簡單，中部普遍含有一層泥巖夾矸，夾矸厚度變化不大，18501工作面回風巷為軟巖巷道。煤層上方為0.23m的炭質泥巖偽頂，直接頂為2.4m的石灰巖，直接底板為1.54m細砂巖，老底為3.13米的粉砂巖。18501工作面頂底板綜合柱狀圖如圖1所示。

2 巷道頂板破壞機理

2.1 巷道頂板變形破壞特征

由于軟巖巷道埋深較大，處于較高應力水平，圍巖強度低，內部發育有大量節理裂隙，并且由于巷道中有斷層的存在，造成圍巖連續性分割，穩定性較差。巷道掘進以及工作面回采會對巷道產生影響，當頂板巖層承受的載荷超過其自身承載極限時，造成頂板破壞發生冒落。頂板冒落高度不同，其特征也不完全相同。根據頂板冒落高度大小，頂板可分為冒落區以及冒頂區，當冒落高度超過3m時，其為高冒區，當冒落高度小于3m時，其為冒頂區。18501工作面回風巷頂板部分冒落高度超過3m，因此存在高冒區。圖2為18501工作面頂板結構模型圖，頂板結構為層理發育并伴隨有一定豎向節理的砂巖與石灰巖交互層。

圖2 18501工作面巷道頂板結構模型

2.2 巷道頂板冒落機理

根據上述18501工作面回風巷頂板破壞特征，結合現場條件，采用UDEC數值模擬軟件對其進行計算，從而分析巷道頂板變形破壞機理。

圖3為巷道頂板冒落分析結果。從結果可以看出，巷道掘進后會在圍巖內部進行應力集中，巷道頂板的破壞過程從巷道表面開始，逐步向圍巖深部傳播，表面圍巖發生破壞后，其對深部圍巖的限制作用逐步喪失，深部圍巖承受載荷超過其自身承載極限后，發生變形破壞，直到巖層穩定后，冒落區不再發生變化。從圖中可以看出，層狀頂板巖層之間存在一定的黏結力，因此導致頂板巖層破壞變形并不均勻。

圖3 頂板冒落分析結果

3 巷道穩定性控制方法及支護方案

3.1 影響巷道穩定性的主要因素

根據上述數值模擬結果以及現場巷道地質條件，得出影響巷道穩定性的主要因素包括以下幾點：

1）巷道埋深大，圍巖應力水平較高。由于18501工作面回風巷埋深達到850～900m，其上覆巖層產生的載荷接近20MPa，考慮有水平應力的存在，造成巷道頂板破壞。

2）巷道為軟巖巷道，圍巖強度較低。由于巷道圍巖內部節理裂隙大量發育，圍巖強度較低，加上巷道部分位置有斷層存在，導致巷道連續性被破壞。

3）巷道支護方式較差。由于巷道支護過程中，未考慮巷道為軟巖巷道以及高應力水平圍巖等條件，因此僅采用常規的錨桿+錨索支護方式，并且支護參數存在一定缺陷，導致巷道支護強度不夠，巷道頂板下沉以及底臌等現象嚴重。

3.2 控制方法及支護方案

1）圍巖控制方法。

結合數值模擬分析結果，可將巷道頂板結構由下到上分為三個部分，分別為易冒落巖層、擠壓變形巖層和穩定巖層，如圖4所示。巷道變形過程首先從易冒落巖層開始，其失去穩定性后，會向巷道內部掉落，形成冒頂區；其上部擠壓變形巖層由于失去支承作用，會繼續向巷道內部冒落，形成高冒區，直到高度達到穩定巖層后，能夠承受巷道載荷，不再發生破壞變形，冒落高度也不再上升，巷道逐步穩定。

圖4 巷道頂板巖體冒落分區

圖5 支護設計斷面

過去對于巷道高冒區通常采用充填的方法進行支護，但這種支護方法費用較高，工程量大，耗費時間較長。根據上述分析結果，結合現場概況，提出利用圍巖自承的能力以及頂板形成的冒落拱的穩定性，加以錨網索噴+柔層桁架耦合支護的支護技術。在冒落拱的上部空間采用錨索+金屬網+噴漿進行支護，加固冒落拱圍巖表面強度，冒落拱下部空間采用柔層桁架耦合支護，限制巷道圍巖的變形，維持巷道穩定性。這種支護方式降低了高冒區治理的工程量和難度，并為頂板圍巖控制提供了新思路。

2）支護方案。

圖5為18501工作面回風巷現場支護技術圖。采用這種方法對頂板圍巖治理時，首先，采用錨索以及金屬網對高冒區的圍巖補強，并加以噴漿，提高圍巖強度。然后，在高冒區下部空間安裝柔性桁架和鋼筋網，之后進行注漿支護。注漿液選用混凝土，注漿后其上部空間形成反拱形，巷道冒落后形成了上下兩個空間格局。最后，在澆筑混凝土上打錨索，并在圍巖變形至擠壓柔層桁架時復噴混凝土進行二次支護，完成高冒區治理與控制。

3.3 效果分析

為驗證這種支護技術治理高冒區的實際效果，在巷道表面布置位移測站1#、2#。典型測站現場監測結果如圖6所示。從監測數據和位移曲線可以看出，巷道采用新支護技術治理高冒區后在較短的時間內即可控制住了巷道圍巖變形，最終巷道兩幫移近量為35mm，底臌量為25mm，變形量小且穩定時間快。

圖6 測站位移曲線圖

4 結論

本文對山西西曲礦18501工作面回風巷頂板破壞失穩機理進行了研究，分析了頂板冒落過程。巷道頂板的破壞過程從巷道表面開始，逐步向圍巖深部傳播，表面圍巖發生破壞后，其對深部圍巖的限制作用逐步喪失，深部圍巖承受載荷超過其自身承載極限后，發生變形破壞，直到巖層穩定后，冒落區不再發生變化。基于此變形機理，提出了利用圍巖自承的能力以及頂板形成的冒落拱的穩定性，加以錨網索噴+柔層桁架耦合支護的支護技術，并在現場進行了實踐。實踐結果表明，巷道采用新支護技術治理高冒區后在較短的時間內即可控制住了巷道圍巖變形，效果良好。