含軟弱夾層的石灰巖頂板回采巷道支護技術研究

李 典

（臨汾市央企駐臨煤礦安全監管中心，山西 臨汾 113001）

煤礦巷道圍巖一般是由不同巖性的巖體組成的復合結構，由于沉積歷史、巖性狀況的不同，復合結構圍巖中各部分的強度、受力特征等力學特性存在差異。其中，含有強度較低、變形較大或受力狀況惡化的巖體-軟弱夾層，在地應力及采動應力場的作用下，將首先發生破壞。本文以晉能集團同富新煤業有限公司回采巷道為工程背景，根據巷道頂板含有軟弱夾層的不同位置對巷道頂板進行科學分類，針對一條巷道中不同位置采用不同類型的巷道支護方案，達到支護安全可靠和節約支護成本的目的。

1 工程概況

晉能集團同富新煤業有限公司目前主采10號煤，煤層埋深在200～400m之間，原巖應力不高。根據現場揭露情況，10號煤層頂板主要以石灰巖為主，普氏系數在10以上，比較堅硬。但頂板含有1～2層軟弱夾層，主要以泥巖包裹鵝卵石為主，夾層位置不固定，個別地點沒有石灰巖頂板，頂板完全由軟弱泥巖構成，局部節理裂隙非常發育，頂板破碎，不完整。針對這種特殊條件的頂板，為了保證巷道的支護安全，原設計采用12#工字鋼金屬支架支護，全斷面鋪設金屬網。這種巷道支護方式解決了巷道頂板的軟弱夾層問題，取得了良好的支護效果，但存在以下主要問題：

（1）掘進工程量大。由于金屬支架需要在支架與巖層之間放置木背板，加上支架本身的厚度，增加了巷道的掘進斷面，按原設計巷道凈斷面11.43m2，巷道掘進斷面13.44m2，與錨桿+錨索支護斷面相比，增加了2.0m2的掘進工程量，同時需要掘進支架柱窩，降低了凈斷面與掘進斷面的比例。

（2）支護成本高。與錨桿+錨索支護相比，工字鋼支架材料成本高，增加了巷道支護的材料成本。

（3）支護施工速度慢，勞動強度大。需要人工搬運和架設支架，施工速度慢，勞動強度大。

（4）回采工作面超前支護困難。當回采工作面回采時，超前支護困難，需要進行工字鋼棚的拆卸，費時費力。

2 巷道頂板分類

根據巷道圍巖裂隙發育程度和軟弱夾層在頂板中的不同位置，把巷道頂板分成9類，具體分類結果如表1所示，分類指標參數如圖1所示。其中，第4類和第5類以及第7類和第8類的區別是1000～1500mm范圍內是否含有軟弱夾層，用以確定錨桿的長度。如果此范圍內含有軟弱夾層，使用2.5m長度的錨桿，否則使用2.0m長度的錨桿，保證有1.0m長的錨固段在堅硬巖層中，確保錨桿的錨固質量。

圖1 頂板分類指標示意圖

表1 頂板分類結果

3 巷道支護方案設計

3.1 數值模型建立

針對同富新煤業回采巷道的實際情況，根據頂板節理裂隙發育程度及軟弱夾層在頂板中的不同位置，分別建立數值模擬模型。模型水平方向20.45m，巷道掘進方向20m，垂直方向15m，其中煤層厚度3m，上方12m石灰巖和泥巖夾層互層，模型X方向左右邊界固定約束，Y方向前后邊界固定約束，Z方向x、y、z固定約束，上表面無約束，模型頂面施加2.56MPa均布載荷模擬上覆巖層自重。巖體采用庫倫-摩爾模型計算，模型中巷道按實際尺寸模擬，如圖2所示。

圖2 數值模擬模型

3.2 第1～2類頂板支護方案

第1類頂板的特征是節理裂隙發育，頂板不完整。第2類頂板中堅硬石灰巖厚度不足200mm，即D1＜200mm，其上是軟弱的泥巖，模擬時取D1=200mm，其上是200mm泥巖夾層，采用錨桿錨索聯合支護，計算1616步之后，模型失穩。對于第1類和第2類頂板，無論采用何種參數，使用錨桿錨索支護都會發生變形失穩，巷道頂板寬度范圍內，全部發生了剪切或拉伸破壞，巷道頂板整體下移滑落，巷道無法維護。因此，巷道支護方案沿用原有支護方案，即12#工字鋼金屬支架支護，全斷面鋪設金屬網。

3.3 第3～5類頂板支護方案

（1）護頂措施選擇。第3～5類頂板的特征是巷道頂板堅硬石灰巖厚度在200～600mm之間，即200mm≤D1≤600mm，巷道上方堅硬石灰巖層較薄。針對有W鋼帶和無W鋼帶護頂兩種支護方案進行數值模擬，模擬時巷道支護采用典型的錨桿+錨索支護，第3類頂板錨桿長度2.0m，第4類頂板錨桿長度2.5m，第5類頂板用4.3m錨索取代錨桿，目的是確保錨桿和錨索有1.0m以上在穩定的堅硬巖層中。圖3是D1=400mm、錨桿間距900mm時的數值模擬結果。

圖3 有無W鋼帶護頂頂板下沉量對比

由圖3可以看出，有W鋼帶護頂時頂板下沉量是無W鋼帶護頂時頂板下沉量的49%，選擇W鋼帶與錨桿聯合支護支護效果明顯，頂板最大下沉量為62.32mm，滿足巷道使用和安全需求。

（2）錨桿間距確定。選擇W鋼帶護頂，分別建立不同錨桿間距條件下的數值模擬模型，得出不同錨桿間距和最大頂板下沉量之間的關系如表2所示。

表2 不同錨桿間距時頂板最大下沉量對比

從表2可以看出，當錨桿間距從800mm增加900mm時，頂板最大下沉量增長率為12.7%，但當錨桿間距由900mm增加到1000mm時，增長率為55.3%，頂板下沉量急劇增加，因此錨桿間距確定為900mm。

綜上所述，確定第3～5類頂板巷道支護方案為錨桿+錨索+W鋼帶+金屬網聯合支護，錨桿間距900mm。

3.4 第6～8類頂板支護方案

（1）護頂措施選擇。第6～8類頂板的特征是巷道頂板堅硬石灰巖厚度在600～1000mm之間，煤層上方堅硬石灰巖層較厚，有利于頂板的維護。同樣分別對有W鋼帶和無W鋼帶兩種支護方案進行數值模擬，模擬時選擇D1=800mm，錨桿間距900mm，錨桿長度與第3～5類相同。模擬結果如圖4所示。

圖4 有無W鋼帶護頂頂板下沉量對比

從圖中可以看出，有無W鋼帶護頂時頂板下沉量變化不大。以第7類頂板為例，頂板下沉量由38.27mm增加到47.98mm，增加了25%，無W鋼帶護頂時頂板最大下沉量為47.98mm，能夠滿足安全生產需要。

（2）錨桿間距確定。采用與3～5類頂板相同的模擬方法，分別建立錨桿間距為800mm、900mm、1000mm和1100mm時的數值模擬模型，模擬結果與3～5類頂板相同，最優錨桿間距為900mm。

綜上所述，第6～8類頂板支護方案確定為錨桿+錨索+金屬網聯合支護，錨桿間距900mm。

3.5 第9類頂板支護方案

第9類頂板煤層上方堅硬石灰巖層厚度大于1000mm，分別建立了無支護、錨索支護數值模擬模型。模擬結果顯示，在無支護條件下，巷道頂板中心位置頂板下沉量最大為86mm，頂板均布3條間距為1500mm的錨索，最大下沉量為51mm。綜合煤礦安全規程規定和實際經驗，第9類頂板支護方式確定為錨索支護，錨索間距1500mm。

4 工程實踐

試驗巷道為晉能集團同富新煤業有限公司502輔運順槽，通過錨索鉆孔判斷泥巖夾層的位置，大部分區域軟弱夾層位于煤層上方的400mm到600mm之間，屬于第3～5類頂板，也有少部分地段屬于6～8類頂板。采用上述不同的巷道支護方案進行施工，與原來使用的工字鋼支架相比，施工進度明顯加快，支護材料成本降低了61.2%。巷道施工結束30d后，頂板最大下沉量102mm，兩幫移近量24mm，巷道斷面滿足運輸、行人和通風要求，巷道圍巖控制效果明顯。

5 結論

（1）在通過對含有軟弱夾層的石灰巖頂板節理裂隙發育程度和軟弱夾層的位置不同進行頂板分類基礎上，通過數值模擬計算分析，確定了不同類別頂板條件下的巷道支護方案，并對支護方案進行了參數優化。對于第1～2類頂板沿用12#工字鋼金屬支架支護方式，第3～5類頂板選擇錨桿+錨索+W鋼帶+金屬網支護方式，第6～8類頂板選擇錨桿+錨索+金屬網支護方式，第9類頂板選擇錨索支護。

（2）由于軟弱夾層距離巷道頂板較近，對于3～5類頂板，W鋼帶護頂效果明顯，對于軟弱夾層距巷道頂板距離較大的6～8類頂板，W鋼帶無明顯改善圍巖控制效果作用。

（3）數值模擬和工程實踐結果顯示，根據不 同頂板類型選用不同巷道支護方案，解決了傳統金屬支架支護帶來的弊端，大大提高了掘進效率，節約支護成本，巷道支護效果安全可靠。