硅化煤層巷道棚-索協同支護技術及應用

王雍昌

（山西同煤集團虎龍溝煤業有限公司，山西 朔州 036010）

破碎硅化煤層巷道的支護問題一直是制約煤礦安全生產的一個重要因素。火成巖侵入煤層巷道使煤層頂底板脆性變大，易碎，裂隙發育且強度低，同時煤巖體的力學性能降低，導致錨索、錨桿錨固性差[1-2]。在生產過程中常常造成棚式支護、錨網支護的結構性失穩，而導致支護承載結構失穩破壞[3]。因此，研究如何提高支護承載結構的穩定性和承載能力至關重要。本文以虎龍溝煤礦81511 工作面為工程背景，針對破碎硅化煤層巷道棚-索協同支護技術展開研究。

1 工程背景

虎龍溝煤業公司5#煤層81511 工作面位于東盤區中部，對應地面標高1327～1483 m，巷道標高1064～1076 m。煤層埋深呈南淺北深，總厚度在29.15～30.24 m 之間，上部被火成巖順層侵蝕，其下部正常煤層厚度在9.08～11.21 m 之間，傾角3～5°，平均4°，煤質穩定，硬度極硬，普氏硬度為4.5，平均密度為1.4 t/m3。煤層結構復雜，厚度變化穩定，以暗淡型為主，上部為硅化煤，中間夾5～10 層夾矸，夾矸為煌斑巖和泥巖。煤層直接頂為13.15～15.91 m 的細砂巖，基本頂為8.68～12.20 m 的高嶺石，直接底為1.34～2.0 m 的高嶺質泥巖。

2 火成巖對煤體的影響

2.1 火成巖侵入形式

在工作面的上方火成巖侵入影響比較嚴重，其主要呈巖床式順層侵入，使得附近煤層變質，且附近煤層較疏松。

巖漿巖在侵入煤體的過程中除了會引起煤體的大范圍變質外，還會對煤層進行吞噬和替代，導致原來結構單一且煤質正常的煤巖體發展成為包含煌斑巖、硅化煤和正常煤等多種成分混雜的煤巖體。

在現場利用RBST 巖石鉆孔剪切測試儀對受火成巖侵入范圍內外巖體的抗剪強度進行測試。結果表明：煤體在受到火成巖侵入后，會變得硅化而且易碎，黏聚力為1 MPa，相對于原煤降低了52.4%，內摩擦角較原煤降低了26.1%，可見火成巖的侵入對煤體自身強度的影響很大。因此，隨著煤體強度的大幅度降低其變得異常松軟破碎，在后期的采掘影響下，巷道圍巖的變形量也會隨之增大。

2.2 巷道變形特征

受火成巖侵入影響，煤巖體內結構疏松的硅化煤、煌斑巖內部有很多裂隙，局部可能毫無內聚力，在采動影響作用下，巷道內的松散煤巖體內部可能會發生微裂隙的貫通，塊體沿宏、微觀結構面滑移。

煤巷頂板若發生火成巖單層侵入時，其附近會形成軟弱易碎的硅化煤，形成的硅化煤相當于一層軟弱夾層存在于巷道頂板中。當硅化煤層距離巷道較近時，很容易發生離層而出現頂板垮冒現象（如圖1 所示）；當硅化煤層距離巷道較遠時，對頂板淺部的圍巖承載能力影響不大，但是由軟弱易碎的硅化煤所組成的軟弱夾層仍然容易出現離層，如果受到采動高應力作用時，頂板控制不當，將導致圍巖發生逐層垮冒。

圖1 火成巖侵入巷道頂板垮冒形態

3 圍巖松動圈探測

巷道圍巖松動圈的大小決定了巷道變形量的大小，通過對圍巖松動圈的探測可為巷道支護提供參考。為了確定81511 工作面回風巷道松動圈的范圍，優化錨索的支護參數，采用地質雷達對81511 工作面回風巷附近的一次維修巷道和二次維修巷道的松動圈進行探測。測試過程中排除U 型鋼、工字鋼等影響，結果如圖2、圖3 所示。

從圖2 可看出，一次維修巷道的拱底中部較完整，兩端的破碎深度較大，大約2.5 m，拱頂至左幫這一范圍破碎深度較大，其中拱頂達到了4.1 m，右幫較小，約2.6 m。從圖3 可看出，二次維修巷道的左幫至拱頂的破碎帶范圍相對于一次維修巷道增大了很多，其中左肩窩處達到了5.9 m，左幫達到了4.3 m。說明在4.3～5.9 m 范圍內的巖體中存在裂隙帶，且比較密集。底板兩端處破碎帶范圍有所增大，中部較淺，約1.3 m。

從圖中可知81511 工作面回風巷除底板的破碎深度較小以外，其他位置的破環深度都達到了2.0 m以上，屬于大松動圈極不穩定圍巖。

圖2 一次維修巷道松動圈圖

圖3 二次維修巷道松動圈圖

4 支護方案

在確定了81511 工作面巷道破環機理和松動圈類型的基礎上，提出了棚-索協同支護方案。利用U 型鋼的高阻可縮性控制淺部圍巖的剪漲變形從而實現對圍巖的基本支護。在基本支護的基礎上，在支架關鍵部位施加錨索對其進行補償支護，使主動支護與被動支護耦合，從而發揮深部巖體的承載能力，提高U 型鋼支架的結構穩定性。

4.1 基本支護

基本支護采用36U 型鋼支架支護，棚間距600 mm。對U 型鋼進行固定時使用1 副普通雙槽夾板卡纜和2 副雙槽夾板限位卡纜，卡纜預緊力矩不低于300 N·m。

為了能夠提高支架的承載能力，在基本支護后再進行壁后注漿。注漿不僅可以改善支架與圍巖的相互作用關系，還可以將破碎的巖體膠結起來，提高圍巖強度和完整性。

4.2 二次補償支護

通過對巷道圍巖松動圈的探測可知，影響支架穩定性的關鍵部位是拱頂至左幫部位和底角位置，因此需要在U 型鋼支架的關鍵部位施工錨索進行補償支護，提高支架穩定性。為控制巷道底鼓，還需在巷道底板施加錨索。

根據圍巖松動圈的探測結果：一次維修巷道的拱底兩端的破碎深度較大，大約2.5 m，最大處拱頂達到了4.1 m；二次維修巷道左肩窩處松動圈達到了5.9 m，左幫達到了4.3 m，底板中部較淺，約1.3 m。因此，補償支護的錨索長度：支架的拱底至左幫部位選用長度為6100 mm 的錨索，底板選用長3400 mm 錨索。

二次補償支護參數：所有使用的錨索均為抗拉強度為1860 MPa 的鋼絞線。底板選用Ф17.8 mm×3400 mm 的錨索，間排距2500 mm×1000 mm；兩幫和肩窩處用Ф17.8 mm×6100 mm 的錨索，間排距1500 mm×1000 mm。錨索的錨固長度約1.8 m，錨固劑使用1 支K2350 樹脂錨固劑、2支Z2350 樹脂錨固劑。補償支護要求錨索預緊力不低于100 kN。錨索托梁可以使用廢舊的U 型鋼加工而來。巷道支護斷面如圖4 所示。

圖4 巷道支護斷面圖

4.3 支護效果

采用十字布點法對巷道的頂底板移近量進行監測。巷道共布置10 個測站，每個測站相距50 m。監測起始時間為支護工作完成后。其中5#測站的監測結果如圖5 所示。

圖5 5#測站巷道表面位移

從圖中可看出，在25 d 時，及時采取二次支護措施后，工作面巷道頂底板移進速度明顯下降，并趨于穩定，沒有出現明顯的底鼓現象，可見棚-索協同支護技術能夠有效地控制破碎硅化煤層巷道圍巖的變形。

5 結論

（1）棚-索協同支護技術主要是先利用U 型鋼支架控制幫底及淺部圍巖的剪漲變形，然后利用錨索對支架關鍵部位進行補償支護，提高U 型鋼支架的結構穩定性。

（2）采用棚-索協同支護技術后，巷道頂底板移進速度明顯下降，整體位移量穩定在10 mm 以內，沒有明顯的底鼓現象。

（3）針對虎龍溝煤礦破碎硅化煤層巷道支護的研究表明，棚-索協同支護技術可有效地控制巷道圍巖變形，研究結果可為相似礦井的巷道支護提供參考。