復合頂板巷道圍巖變形控制研究與應用

張 紅

(山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤礦，山西 臨汾 031600)

0 引言

軟巖巷道圍巖控制技術研究一直以來都是霍州煤電井下支護的難點問題之一，煤礦井下軟弱頂底板巷道支護與圍巖變形控制有大量學者曾做過詳盡研究。霍州煤電集團回坡底煤礦現開采10號煤層，煤層直接頂為較厚泥巖層，最大厚度達到7.5 m，此頂板巷道支護時，錨桿錨索錨固效果不佳，甚至出現錨固體失效現象，以10-113回采巷為例，巷道掘進后1～2個月內就會出現頂板變形破碎嚴重，局部出現垮落冒頂現象。針對該礦實際，采用理論分析、取樣試驗、工程實測的綜合研究方法，對頂板泥巖試樣進行相關特性研究，在研究基礎上對現場巷道進行支護參數優化，實現“錨-網-噴”聯合支護方式控制圍巖，取得了良好的效果，從而保證巷道安全穩定，降低巷道返修率，促進回采效率提升，具有一定的理論與實踐意義。

1 工程概況

1.1 煤層特征

霍州煤電集團回坡底煤礦10-113回采運輸巷位于井下一采區+630 m水平左翼，其掘進工作面東側30 m為10-111采空區，西側為實體煤，南側為實體煤，北側為下組煤輔助運輸巷。10-113掘進巷道沿10號煤層走向布置，底板掘進，設計斷面為矩形，凈寬4.0 m，凈高2.7 m，設計長度1 765 m，主要用于10-113回采工作面進風、運煤及行人。10號煤層埋深326～369 m，平均埋深348 m，煤層厚度1.8～3.2 m，平均厚度3.0 m，煤層傾角0°～10°，平均傾角5°。煤層特征為：黑色塊狀，條帶狀結構為主，呈弱瀝青光澤，煤層組份以亮煤為主，暗煤次之，鏡煤少許。煤層可采指數為1，變異系數為15%，夾矸為泥巖。煤層直接頂與直接底均為泥巖，結構穩定性較差，頂底板巖性特征見表1。

表1 煤層頂底板巖性特征

1.2 水文地質情況

通過對地表水、煤層頂板含水層、上覆采空區積水等情況的勘察與分析，10-113水文地質條件為中等。其中頂板上部含水層為K2灰巖含水層，在地質構造發育及含水層裂隙發育地段，頂板淋水可能性增加，會對回采工作面及掘進工作面造成一定的影響。

1.3 巷道支護方式

10-113回采巷道頂板采用錨網梁、錨索、鋼板聯合支護方式，頂錨桿選用φ18 mm×2 000 mm的高強錨桿，“五·五”布置，間排距為900 mm×1 000 mm，頂錨索選用φ21.6 mm×5 200 mm的鋼絞線，“二·二”布置，間排距為2 000 mm×2 000 mm；巷道兩幫采用錨網梁支護方式，幫錨桿選用φ18 mm×2 000 mm的高強錨桿，“三·三”布置，間排距為1 000 mm×1 000 mm。

1.4 巷道圍巖破壞特征

據現場調研及觀察，10-113新掘巷道采用現有支護體系下，掘進1個月左右，巷道頂板開始出現開裂、破碎、脫落、淋水等現象，甚至局部發生整體冒落情況，頂板部分錨索出現拉裂、脫落現象，對巷道安全及行人安全均帶來了巨大威脅，加之巷道高度不大，返修維護等作業進行難度隨之增加。

2 泥巖頂板特性分析

圖1為頂板泥巖試樣的X射線衍射圖譜，可見，泥巖試樣成分中，石英、高嶺石、伊利石等黏土類礦物成分占比極大，其含量高達70%左右。

圖1 泥巖試樣X射線衍射圖譜

圖2為頂板泥巖試樣經過飽水-風干連續4個循環的破壞崩解過程，可見，初始泥巖試樣為完整巖芯，如圖2(a)所示；在經歷2個循環后，出現了一定程度的斷裂、掉落現象，如圖2(b)所示；在經歷3個循環過后，近半巖芯已完全破碎脫離整體，如圖2(c)所示；在經歷4個循環之后，巖芯發生了完全破斷、碎裂現象，如圖2(d)所示。

圖2 泥巖試樣崩解過程

綜上所述，10-113巷道頂板泥巖中黏土類礦物含量占比較大，遇水易膨脹破碎，且泥巖結構內生裂隙發育。當巷道開挖后，巷道圍巖應力重新分布，導致頂板泥巖微小裂隙發育嚴重，同時擴展、貫通，宏觀表現為明顯裂隙生成，易形成導水通道。

3 圍巖支護優化

巷道頂板泥巖層的不穩定性是巷道整體失穩的關鍵問題所在，頂板泥巖軟弱、破碎的性質使得錨固體錨固效果不佳，錨固區內圍巖結構強度不足，承載能力較差，而且頂板泥巖層遇水極易膨脹，故現有的支護體系已不能夠成為巷道保持穩定的依靠，亟需以新的支護體系加強對圍巖變形的控制。

3.1 圍巖結構優化

原巷道斷面尺寸為4 000 mm×2 700 mm，現對即將要掘出的巷道要求斷面為4 200 mm×2 800 mm，即兩幫各擴寬100 mm，頂板上擴100 mm，為噴射混凝土留設足夠空間。另外，由于10號煤層頂板存在大約500 mm厚的破碎偽頂難以控制，且煤層直接底也為裂隙發育、遇水膨脹的泥巖層，所以要求新掘巷道改為沿10號煤層破頂破底掘進。

3.2 圍巖支護參數優化

噴射混凝土：對新掘巷道圍巖要求噴射密集混凝土，其中，巷道頂板噴射厚度50 mm，巷道兩幫上部500 mm內噴射厚度30 mm，嚴格遵守噴射規程，達到要求噴射強度。

支護體優化：①錨桿。頂板采用φ20 mm×2 200 mm高強度螺紋鋼錨桿取代原先的φ18 mm×2 000 mm錨桿，兩幫仍采用φ18 mm×2 000 mm的高強錨桿，為了加強控制巷道上幫角圍巖處的變形，巷道頂角及兩幫角的錨桿布置均向上幫角傾斜20°；②錨索。頂板錨索長度由原先的5 200 mm增長為7 000 mm，布置角度由原先的垂直布置改變為向外傾斜20°布置；③錨網。為加強頂板下位巖層剛度，采用φ6.5 mm鋼筋焊接網取代原鐵絲網和鋼筋梯子梁。巷道優化支護方案與原支護方案斷面對比如圖3所示。

圖3 巷道支護優化方案與原方案斷面對比

4 優化效果分析

4.1 數值模擬分析

采用FLAC3D數值模擬軟件對10-113回采巷道支護前后進行數值模擬分析，建模時根據巷道圍巖條件以及物理力學參數進行設置，數值模擬結果如圖4所示。總之，優化支護方案可使巷道圍巖穩定性得到良好的控制。

圖4 巷道圍巖應力分布云

4.2 工程應用分析

在10-113回采巷道應用優化支護方案后，在10-113回采工作面推進過程中，對回采巷道圍巖變形情況進行了實時動態監測，監測結果如圖5所示。

由圖5知，回采期間，回采工作面距測站40 m以外時，巷道頂板及兩幫位移量變化不明顯；回采工作面距測站40 m時，回采巷道頂板及兩幫變形開始增加；當回采工作面推進至距測站20 m時，巷道頂板及兩幫位移量急劇加大；當工作面與測站重合時，頂板累積下沉量370 mm，兩幫累積收縮量250 mm。以上監測結果表明，采用優化支護方案后的巷道能夠保證回采安全生產，且據工程現場調研可知，采用優化支護方案后，10-113回采巷道圍巖整體變形量能夠控制在合理范圍之內，且巷道支護構件受力較為均勻，巷道整體較為穩定，有效改善了原先巷道圍巖破壞嚴重，頂板變形不易控制的難題。

圖5 圍巖變形監測曲線

5 結論

(1)頂板泥巖試樣中，黏土類礦物成分占比高達70%，遇水極易膨脹，且內生裂隙較為發育。

(2)提出采用高強度錨桿索-噴射混凝土-鋼筋焊接網聯合支護巷道圍巖技術。

(3)優化支護參數后的10-113泥巖頂板回采巷道可保證圍巖變形量控制在合理范圍之內，巷道穩定性明顯提升，同時可保證回采作業的安全快速推進。