穩定厚灰巖層頂板巷道頂幫協調支護技術

張之慧

（陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦， 山西 陽泉 045008）

引言

堅硬厚灰巖層巷道頂幫協調優化支護技術，是巷道支護的研究內容之一[1-2]。堅硬厚灰巖巷道支護常常出現“重頂板、輕兩幫”的支護現象，尤其當巷道構造應力和垂直應力差值較大，構造應力占據主要優勢時，巷道可能出現頂板支護過度、兩幫支護較弱的不合理情況，造成巷道兩幫變形破壞，誘發失穩隱患[3-4]。支護設計是巷道錨桿支護中的一項關鍵技術，支護強度過大時，會造成支護材料浪費和掘進速度降低；支護強度不足或頂幫不協調時，圍巖發生變形失穩破壞，影響礦井安全生產。國內外專家學者已經對此進行了大量的實驗研究和工程實踐，本文結合某礦具體條件和支護現狀，提出了優化方法、支護理論及優化技術，并將其應用于工程實踐，取得了顯著的效果。

1 工程背景

陽煤山凹煤礦9311 回風巷用作工作面行人、出風、運料等。巷道沿9+10 號煤層頂底板掘進，標高最高為800 m，最低為655 m，埋深平均為415 m，巷道布置平面見圖1。

9+10 號煤層結構簡單，煤層穩定，傾角2°～11°，平均6°；煤層含矸1～3 層，巖性為泥巖，煤層總厚度2.8 m，其中矸石厚度約0.2 m。煤體強度為中硬煤層。

9+10 號煤層偽頂為泥巖，直接頂為K2 石灰巖，青灰色，致密、堅硬，厚度4.6～9.0 m，平均7.2 m，中間2.0～3.2 m 層位含一層厚度約15 mm 泥巖夾層。煤層直接底為灰色砂質泥巖，具體巖層分布情況見表1。

圖1 巷道布置平面圖

表1 巷道頂底板情況表

9311 運輸巷掘進寬度4.5 m，掘進高2.8 m，頂板為4.6～9.0 m 厚的K2 石灰巖層，厚度近巷道跨度的2 倍、兩幫為中軟煤層。

2 9311 回風巷地質力學特征及圍巖破壞機理

2.1 地質力學特征

根據井下原位測試得知，該區最大、最小水平主應力、垂直應力分別為18.1 MPa、9.6 MPa、7.8 MPa，最大主應力方向N69.0°W，與巷道軸線方向夾角21°。地應力量值上屬于中等偏高應力區，構造應力占優的應力場類型，相互垂直的主應力差值達到10.3 MPa，圍巖偏應力作用明顯。

巷道頂板泥巖強度平均值24.3 MPa；K2 石灰巖強度平均值118.2 MPa，堅硬、穩定；煤體強度平均值9.7 MPa，中硬偏軟。

2.2 巷道圍巖破壞機理

巷道頂幫強度懸殊，頂板為堅硬穩定的厚灰巖層，且厚度是巷道跨度的近2 倍，巷幫為中等偏軟的3 號煤層，當巷道開挖后，相較于頂板，煤幫為軟弱面，圍巖壓力會優先從巷幫釋放；同時，本區域為構造應力場類型，水平應力會對巷道兩幫和頂板產生擠壓、剪切作用，且偏應力作用明顯，這會導致頂幫的不均衡受力。另外，現場的“重頂板、輕巷幫”支護觀念，常常出現頂板支護過度、巷幫支護不足的不合理現狀，也會進一步加劇頂幫的不均衡變形。

在開挖影響和原巖應力作用下，煤壁出現極限平衡而產生塑性破壞。巷道頂底板破壞和兩幫破壞是相互影響、相互約束的，當巷幫由于壓剪破壞而形成剪切面，會向煤體深部傳遞，從而大大降低煤幫的承載能力，擴大頂板的實際跨距，誘發頂板破壞風險，當頂板跨距增大時會進一步破壞巷幫煤體，進而形成惡性循環，誘發巷道失穩破壞風險。因此，優化堅硬厚層灰巖頂板支護，加強巷幫中軟煤體支護，實現頂板協調支護，是改善圍巖承載結構、控制巷道變形的關鍵。

3 頂幫協調支護技術

現在煤礦巷道的主導支護型式是錨桿錨索支護，高預應力支護因其主動性和約束性而得到廣泛應用[5-7]。因此，對頂幫的不同支護組合方式進行模擬。方案1：按原有巷道支護參數進行建模，排距1.1 m，頂板采用5 根20 mm 圓鋼錨桿進行支護，錨桿預緊力20 kN，錨索17.8 mm，預緊力120 kN，巷幫3 根直徑20 mm 的圓鋼錨桿，預緊力20 kN；方案2：按高剛度低密度支護參數建模，頂板4 根錨桿，排距1.3 m，間距1.2 m，錨索直徑17.8 mm，長度5.2 m，預緊力200 kN；巷幫3 根20 mm 圓鋼錨桿，預緊力60 kN。

3.1 最大應力

不同支護方案巷道圍巖最大應力分布如圖2，最大應力主要集中在巷道頂幫深部位置，這是因為巷道開挖產生的圍巖變形向煤巖體深部傳遞，造成深部巖層應力重分布，方案2 最大應力值相對較小，說明巷道表面的高剛度低密度錨桿索系統有效地約束表面自由移動，避免應力向煤巖體深部傳遞。

3.2 塑性破壞區

巷道掘進后塑性破壞區主要分布在巷道的四周，方案2 頂幫的剪切和拉伸破壞相對較小，如圖3。

4 應用實例

4.1 支護方案

根據以上分析，結合巷道地質條件和支護現狀，設計巷道高剛度低密度錨桿錨索支護方案。

頂幫及兩幫采用20 mm 圓鋼麻花錨桿，屈服強度235 MPa，長度2.0 m，預緊扭矩230 N·m，頂板錨桿間距1.2 m，巷幫錨桿間距0.9 m，頂板排距均1.3 m。

頂板錨索17.8 mm、17 股預應力鋼絞線，長度5.2 m，配套高強鎖具、調心球墊和300 mm×300 mm×12 mm 拱形托板，居中布置，排距3.9 m；錨索預緊張拉力250 kN；頂幫均采用鋼筋托梁和金屬經緯網進行護表。巷道支護斷面見下頁圖4。

圖2 不同方案最大應力云圖

圖3 不同方案塑性破壞區分布

4.2 監測與分析

巷道整體平整度和成型性較好，局部段出現小的鼓包下沉，頂板最大下沉量約27 mm，兩幫最大移近量約32 mm，圍巖變形占巷道尺寸比例較小，見下頁圖5。

見下頁圖6，頂板錨索初始預緊力主要集中在140～170 kN 之間，基本達到高預緊力要求，后期部分錨索受力較大，掘進期間最大受力近235 kN；掘進期間錨索受力在前3 d 內迅速增加直至平衡，之后基本維持不變。見下頁圖7，巷幫錨桿初始預緊力介于35～55 kN 之間，隨著掘進進行，錨桿受力迅速增大，最大值約90 kN，局部有震蕩，可能與煤炮震動有關。總得來說，巷道處于穩定狀態，圍巖變形和錨桿錨索受力也都處在允許范圍內，滿足工作面回采需要。

圖4 巷道支護布置圖（單位：mm）

圖5 表面位移監測

5 結論

1）堅硬厚層頂板巷道，優化頂板支護，加強巷幫支護，實現頂板協調支護，可實現巷道高剛度低密度優化支護，保證巷道安全。

2）提高支護系統剛度，降低支護系統密度，在保證巷道安全條件下，可提高巷道掘進速度，降低支護材料成本。

圖6 錨索受力監測

圖7 錨桿受力監測

3）優化采用的方法、支護理論及技術，適應于其他類似條件巷道，具有較大的推廣應用前景。