紫晟煤業2-101回采巷道圍巖變形機理與控制研究

張 松

（霍州煤電集團紫晟煤業有限責任公司，山西 霍州 031400）

0 引 言

對于礦井軟巖巷道圍巖破壞的控制研究，一直以來都是煤炭開采行業內的熱點話題及難點之一，針對各種軟弱頂底板巷道的支護與圍巖變形控制研究，眾多專家學者也曾做了詳盡研究[1-5]。霍州煤電集團紫晟煤業現開采2#煤層，煤層直接頂為砂質泥巖層，最大厚度達8m，基本頂為厚泥巖層，最大厚度達10.89m，對于此類頂板巷道，以2-101回采運輸巷為例，錨桿與錨索均難以穩定錨固，巷道掘進2～3個月內出現了頂板變形嚴重，局部破碎冒頂等巷道失穩現象。現采用理論分析、現場實測、支護優化的綜合研究方法，對較厚泥巖頂板巷道變形機理及影響因素進行了相關研究分析，并對現場巷道進行了支護參數優化，實施了“錨-網-噴”聯合支護方式控制圍巖，取得了良好的應用效果，降低了巷道返修率，具有較大的實際工程實用價值。

1 工程概況

1.1 煤層特征

山西霍州煤電集團紫晟煤業2-101回采運輸巷掘進工作面位于礦井一采區，沿2#煤層走向布置，底板掘進，設計斷面為矩形，凈寬4.5m，凈高3.5m，設計長度775m，主要用于2-101回采工作面運煤及進風。2#煤層埋深430m～482m，平均埋深456m，煤層平均厚度3.5m，為中厚煤層，煤層傾角1°～5°，平均傾角3°，煤層為緩傾斜單斜簡單構造，煤層硬度f=2～3，屬于穩定性煤層。煤層直接頂為砂質泥巖，基本頂為泥巖，直接底為砂質泥巖，頂底板巖性特征見表1。

表1 煤層頂底板巖性特征

1.2 巷道支護布置

2-101回采運輸巷道目前采用錨網索聯合支護，頂板錨桿采用φ20×2000mm左旋螺紋鋼高強錨桿，每排6根，排間距為900×850mm；幫部錨桿采用φ20×2000mm左旋螺紋鋼高強錨桿，每幫每排4根，排間距為900×1000mm，幫部最下一根錨桿角度與巷幫為75°，每根錨桿配套使用φ130×8mm沖壓碟形墊片一個，每孔一條Z2388樹脂錨固劑和一條CK2360樹脂錨固劑；頂部錨索規格為φ21.6×8500mm鋼絞線，采用“三、二”垂直布置，間排距1600×2400mm、3200×2400mm，每孔配三條Z2388樹脂錨固劑，配合300×300×14mm的錨索托板；全斷面鋪設φ3mm鉛絲編制的網孔為40mm×40mm的金屬菱形網。

2-101回采巷道在采用以上支護方案后，當巷道新掘出后，巷道頂板表現為光滑平整，但當掘出巷道1個月之后，頂板表面開始出現崩裂，2個月后頂板局部出現網包，頂板破壞向更深部演化，同時巷道兩幫收斂明顯加速。距現場圍巖打眼探查表明，巷道頂板7～8m錨固區出現了更大范圍的圍巖位移現象，頂板上方泥巖層整體下沉嚴重，已經直接威脅到了巷道的安全。

2 圍巖變形機理分析

2.1 圍巖變形特征分析

結合以往研究中的大厚度軟弱頂板變形特征，經2-101回采巷現場觀察與實測分析，大厚度泥巖頂板煤層巷道變形破壞特征為：

1）巷道頂板下沉嚴重。現場觀測發現，巷道頂板下沉量占據頂底板移近量的70%以上，兩幫錨桿受力明顯高于頂板錨桿，說明頂板支護效果不佳，兩幫受力較大，隨著頂板下沉，頂板壓力必然導致兩幫破壞和更嚴重的頂板下沉；

2）巷道支護體失效。現場觀測發現，泥巖頂板出現不同程度的垮落冒頂現象，頂板錨桿部分下滑，錨桿桿體被拉出，錨桿錨索托盤外翻嚴重，多處發生掉落；還有部分頂板錨索出現拉斷現象，頂板金屬網變形嚴重，多處發生破斷，失去支護作用。

3）圍巖流變性較大。巷道掘進期間頂底板移近量及移近速度如表2所示，在巷道掘進后初始80天內，圍巖慢慢穩定，但80天以后，巷道頂底板移近量出現明顯增加，動壓現象明顯。由此表明，巷道圍巖一直處于活動期，長期處于蠕變狀態，巷道壓力較大較持久。

4）頂板下位巖層破壞嚴重。在現場進行頂板鉆孔窺視如圖1所示，分析結果表明：巷道頂板0～2m內，整體較破碎，內生裂隙發育、相互貫通，如圖1（a）；2～3m 內，存在一明顯水平離層,如圖 1（b）；3～5m 內，存在垂直裂隙，但整體較為完整，如圖1(c)；5～8m內，裂隙發育，局部范圍有離層，如圖1(d)。且巷道偽頂泥巖層易風化脫落，導致頂板不穩定性增加。

表2 頂底板移近增量及移近速度

圖1 頂板鉆孔窺視圖

2.2 圍巖變形原因分析

1）地質條件復雜。泥巖頂板含大量黏土礦物成分，其在經過吸水-失水-吸水過程之后便附有了軟化、風化的性質；且泥巖頂板受頂板裂隙水、巷道濕氣的影響，流變性增強。

2）支護體承載能力不足。頂板錨索垂直布置時，錨索載荷隨頂板變形上升顯著，極易發生錨索破斷拉斷致失效的現象，此外，錨索垂直布置更易在頂板巖層內形成導水通道，加快水與圍巖的接觸，直接降低圍巖物理力學強度。

3）頂板下位泥巖層剛度不足。金屬網強度及剛度不足，對較軟弱泥巖不能形成有效的應力傳遞保護作用，相反會造成表面巖體破壞；此外，頂板錨桿錨固區巖層錨固剛度不足，導致巷道開挖后圍巖裂隙發育加速，頂板自上而下逐層產生拉伸與剪切破壞。

2.3 圍巖變形演化過程分析

結合表1，以2-101回采巷為原型進行相似模擬試驗，觀察巷道開挖后圍巖裂隙發育演化規律情況，從而能夠體現巷道開挖后圍巖破壞、位移、變形的過程。如圖2，為相似巷道加壓后的破壞、變形演化過程。結合理論指導與相似模擬結果可得知，巷道破壞過程依次為：開挖、圍巖應力重分布、塑性松動圈擴大、節理層理弱面破壞、頂板下位巖層變形、頂板塊體滑移、兩幫煤體位移、頂板失穩。

圖2 圍巖破壞演化過程

綜上所述，2-101回采巷道厚泥巖頂板破壞分為三個主要階段：0～10天，巷道開挖后，泥巖層受載失穩，圍巖應力重新分布，巷道變形較快；10～80天，圍巖應力調整，逐漸趨于穩定狀態；80～140天，受上覆壓力、地應力、圍巖膨脹力作用，泥巖頂板裂隙擴通貫穿，且表面受長期裸露風化嚴重，此時亟需實施合理的支護方案，提高圍巖剛度，發揮圍巖承載能力。

3 支護優化設計

設計新的巷道掘進斷面為4700mm×3600mm，較原先4500mm×3500mm斷面而言，提前預留了足夠厚度空間為接下來的巷道圍巖噴射混凝土做了準備。

1）及時封閉圍巖。在2-101巷道新的掘進后，及時對圍巖噴射混凝土，其中頂板表面噴射30～50mm厚，巷道兩幫上部500mm噴射20～30mm厚，噴射務必嚴實。

2）錨桿優化。頂板采用φ22×2500mm左旋螺紋鋼高強錨桿取代φ20×2000mm錨桿，為控制肩部圍巖裂隙發育，頂角與幫角錨桿均向頂角傾斜20°布置。

3）錨索優化。頂板錨索長度由原先的8500mm縮短為7000mm，布置方式由原先三二布置改變為三三布置，布置角度由原先垂直頂板布置改變為向兩側傾斜15°布置。

圖3 優化方案與原方案巷道斷面布置對比

4）錨網優化。頂板采用φ6.5 mm的鋼筋焊接網取代原先的鐵絲金屬網。優化支護方案與原支護方案巷道斷面布置對比如圖3所示。

4 支護效果分析

優化支護方案經現場應用后，在2-101巷道掘進期間對巷道圍巖變形進行了詳細的動態監測。監測結果如圖4所示。

圖4 圍巖變形量監測曲線圖

由圖4知，在巷道掘進0～20天內，巷道兩幫收斂速率較大，監測20天時，兩幫累積收斂量為64.9mm；20天后，兩幫收斂不再明顯，并逐漸趨于穩定，監測期間兩幫最大收斂量為72.4mm。巷道頂板在0～40天內下沉明顯；40天后逐漸趨于穩定，監測期間頂板最大下沉量為109.5mm。巷道圍巖變形量均能夠控制在合理范圍之內，巷道整體較為穩定。

5 結 論

1）2-101巷道圍巖變形特征為：頂板下沉嚴重、圍巖流變性大、支護體失效、頂板下位巖層破壞嚴重；

2）2-101巷道圍巖變形原因為：地質條件復雜、支護體承載能力不足、頂板下位泥巖層剛度不足；

3）2-101巷道經支護參數優化后，可保證圍巖變形量控制在較合理范圍之內，巷道整體穩定性明顯提升。