金辛達煤礦11103回風巷破壞原因及支護方案優化

楊宇鵬

(霍州煤電集團 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

復合頂板是煤礦較為常見的一種現象[1-2]，一些巷道的復合頂板由多層厚度較小、強度較低的巖層組成，其圍巖內部裂隙發育且松散破碎，易吸水膨脹，各巖層之間黏聚力較低[3]，在高應力、強擾動、淋水等條件下巷道頂板容易出現離層、冒落，難以形成穩定的支護結構[4]。同時上覆巖層重量也會逐漸向兩幫轉移，進而造成兩幫片幫現象的發生，因此對該類巷道的有效支護成為了諸多學者的研究課題。

金辛達煤礦11103回風巷的頂板為復合頂板，該巷道在掘進期間，頂板下沉明顯，兩幫出現了不同程度的片幫，且頂板大量錨桿出現了剪切破斷，多根錨索被拉脫，先掘后修的現象較為嚴重，礦井的生產效率大幅下降，探究該巷道的破壞原因并采取有效的控制措施已成為當前急需解決的主要任務。

1 工程概況

金辛達煤礦11103綜采工作面位于原鑫溝煤礦工業廣場北部，埋深500 m，地面相對位置是山脈和溝壑。工作面北部為11105掘進工作面，南部為11102工作面采空區，東部為井田邊界。沿煤層傾向布置，設計走向長度1 800 m，傾向長度200 m，所采煤層為11號煤層，該煤層位于太原組下段中上部，工作面可采范圍內煤層厚度4.1～5.8 m，平均4.7 m，煤層結構相對簡單，層位穩定。服務于該工作面的回風巷凈寬5 m，凈高3.4 m，掘進總長度達到了2 000 m，斷面形狀為矩形，沿煤層頂板掘進。支護形式采用錨網索+鋼帶，其中頂板布置五根D20 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿，間排距為1 m×1 m，錨索布置方式為三花布置，即第一排在巷中布置一根，第二排在距巷中線左右1.5 m處各布置一根，以此循環，排距為1 m，錨索為D17.8 mm×5 300 mm的鋼絞線。幫部每排布置4根錨桿，間排距為0.9 m×1 m，型號與頂板錨桿一致。在對錨桿(索)布置的過程中，錨桿施加的預緊力為55 kN，錨索施加的預緊力為120 kN，巷道斷面支護如圖1所示。

圖1 巷道斷面支護

2 巷道破壞特征

11103回風巷在掘進期間出現了嚴重的變形破壞情況，其主要破壞特征如下：

1) 在巷道掘進過程中頂板下沉明顯且兩幫出現了嚴重的片幫情況，同時巷道肩部的鋼帶彎曲變形嚴重。

2) 巷道頂板大量的錨桿發生了破斷現象，從施工現場來看，靠近頂板中部和巷道兩肩角處的錨桿破斷根數最多，占到了錨桿總破斷根數的80.6%。多數錨桿的讓壓管發生了嚴重變形，說明頂板錨桿受力偏大，部分錨桿已超出了其破斷載荷。

3) 對破斷錨桿的錨桿孔進行觀測，觀測結果表明所有已斷錨桿的錨桿孔處的巖層都發生了沿水平方向的錯動，且有的托盤在錨桿破斷的過程中產生了5～100 mm的水平移動。

4) 巷道斷面變形較大的區域其頂板的淋水現象也較為嚴重，局地區域路面出現了較多的積水。

3 圍巖原位探測

3.1 巷道頂板圍巖原位探測及力學參數測試

巷道頂板巖層的賦存狀況以及各巖層的物理力學參數對于巷道的穩定具有重要影響，為了探究11103回風巷頂底板的圍巖賦存狀況，在巷道頂底板選取合適的位置布置鉆孔并進行打鉆取芯，將所取巖芯做進一步加工后將其密封帶回實驗室，通過SANS試驗機對各試快的物理力學參數展開測試，測試結果見表1。

表1 巷道頂底板圍巖力學參數測試結果

從表1可以看出該巷道頂板屬于復合頂板，距頂板表面6.2 m范圍內含有3層巖層，分別為泥巖、粗砂巖和泥巖，每層巖層的厚度均比較薄，分別僅有2 m、1.4 m和2.8 m，這3層巖層的抗壓強度分別為12.4 MPa、15.61 MPa和11.82 MPa，與同類巖層的強度相比要低出許多，且圍巖裂隙較為發育，層間黏聚力較低，距頂板表面6.2 m以上的巖層為粉砂巖，該巖層圍巖強度較高，層厚達到了8.6 m，巷道的直接底為泥巖，巖性較軟，遇水易軟化。

3.2 巷道圍巖地應力測試

巷道頂板大量錨桿發生剪切破斷，已斷錨桿的錨桿孔處的巖層發生了沿水平方向的錯動，可見巷道受構造應力明顯，為了進一步掌握該巷道的構造應力分布情況，在巷道中選取合適的位置布置測站，使用水壓致裂法對其地應力的分布狀況進行測試，測試結果見表2。

表2 地應力測試結果

從表2可以看出，四個測站的最大水平應力分別達到了19.8 MPa、19.9 MPa、17.7 MPa和21.2 MPa，所對應的側壓系數取值分別為1.5、1.45、1.38和1.46，由此可知該巷道受水平應力最為明顯，這與錨桿和錨桿孔的破壞情況相吻合。

4 巷道破壞原因

1) 巷道頂板為復合頂板，且距頂板表面6.2 m范圍內含有3層巖層，各巖層之間內聚力較低，層間粘結性較差，且圍巖內部裂隙發育，而距頂板表面6.2 m以上的粉砂巖圍巖完整性相對較好，具有較高的強度。在巷道原支護方案中錨桿、錨索的長度均比較短，尤其是錨索的錨固基礎沒有錨固在圍巖強度較高的粉砂巖之中，導致其對各巖層的懸吊作用較差。

2) 巷道整體上受水平構造應力明顯，頂板各巖層之間在高水平應力之下易發生水平錯動，且原支護方案中錨桿、錨索的直徑均比較細，抗剪切能力較弱。

3) 巷道頂板淺部圍巖分布有較多的薄巖層，在掘進擾動、回采擾動的共同影響下，各巖層之間的離層現象會進一步加劇。

4) 巷道錨桿(索)的預緊力施加過小，各巖層在錨桿(索)的作用下不能緊密地進行接觸，巷道圍巖的力學環境得不到有效改善。

5) 巷道的直接頂和直接底均為泥巖，在頂板有淋水的情況下，直接頂和直接底的圍巖易出現軟化現象，導致支護難度進一步增加。

5 支護方案優化

在原支護方案的基礎上，將頂錨桿間排距調整為1 m×0.9 m，兩根邊角錨桿與水平線夾角為75°，加強對巷道肩部的支護；幫部錨桿間排距則調整為0.9 m×0.9 m。錨桿均改為D22mm×3000mm的螺紋鋼錨桿。在對錨桿預緊力施加的過程中，將原來的55kN提高至80kN。頂板錨索改為三二支護，即第一排在距巷中線左右1.8m處分別布置一根，在巷中布置一根，第二排在距巷中線左右0.9m處分別布置一根，以此循環。錨索采用D19.6mm×7000mm的鋼絞線，預緊力則由120kN提高至160kN。若掘進至頂板淋水較大的區域，則巷道支護完畢后隨即對其表面噴射混凝土，對圍巖強度做進一步的補強，同時防止淋水對圍巖造成侵蝕。優化后的巷道斷面支護如圖2所示。

6 現場監測

巷道采用優化方案支護后對其圍巖變形進行了為期30 d的現場監測，優化前和優化后的圍巖變形隨監測時間的變化曲線對比如圖3所示。

圖3 巷道圍巖變形隨監測時間的變化曲線

從圖3可以看出，在原支護方案下巷道圍巖在為期30 d的監測時間里變形量較大，其中兩幫移近量達到了248 mm，頂底板收斂量達到了303 mm，當巷道采用優化方案治理后，兩幫移近量減小至81 mm，頂底板收斂量減小至44 mm，與優化前相比，分別減少了67.3%和85.5%，由此可見優化方案對巷道圍巖穩定性的控制效果顯著。

7 結 語

1) 11103回風巷頂板為復合頂板，6.2 m范圍內圍巖強度較低且層間粘聚力較弱，巷道整體受水平構造應力明顯，再加上支護強度較低，頂底板泥巖易吸水軟化，在這些因素的共同作用下，該巷道破壞嚴重。

2) 針對巷道破壞原因，對原支護方案進行了相應的優化，經工程監測結果表明，在該優化方案的綜合治理下巷道圍巖穩定性得到了較大改善。