煤礦井下復雜頂板巷道支護工藝研究與應用

郝 宏 偉

（山西煤炭運銷集團簸箕掌煤業有限責任公司，山西 大同037000）

0 引 言

復雜地質條件下軟巖巷道頂板支護技術一直是煤礦井下巷道掘進支護所面臨的重點問題之一[1]。新村煤業現主采的3#煤層，煤層直接頂和直接底均為泥巖，其中直接頂巖層厚度平均4.9m，最巖層厚度達到8.8m，因直接頂泥巖層較厚，巷道掘進期間采用錨網索支護時經常出現錨固力達不到要求，支護效果非常差。以13111 工作面回風巷為例，在巷道施工2～3個月后，巷道頂板出現了嚴重破碎變形，局部甚至出現了頂板離層、垮落現象。為解決巷道支護難題，現從理論研究、取樣分析、現場測試等方面進行研究，在此研究的基礎上對巷道支護工藝進行優化改進，經現場實測情況觀察，取得的效果比較好，具有很大的推廣應用價值。

1 工程概況

1.1 煤層賦存特征

13111 工作面位于新村煤業13 采區東翼，其掘進的回風順槽北部為13111 上底抽巷，南鄰已回采結束的13091 工作面，西部為23 采區軌道下山，東部為邊界保護煤柱。13111 回風順槽沿煤層底板掘進，設計斷面為矩形斷面，巷道凈寬4.2m，凈高2.8m，設計走向長1 560m，該巷道主要用于13111 工作面回風、運料及行人等。工作面埋深+439.7～+475.9m，平均457.3m，煤層賦存厚度2.5～4.8m，平均3.6m，煤層傾角5°～12°，平均8°。掘進區域煤層疏松，屬于典型的松軟不穩定煤層，煤層呈黑色，塊狀、粉末狀、鱗片狀，具玻璃光澤，半亮型煤。煤層變異指數60.7%，煤層可采性指數為1，煤層內夾矸為泥巖，煤層結構穩定性較差（煤層頂底板巖性見表1）。

表1 13111 工作面煤層頂底板巖性情況表

1.2 水文地質特征

通過對煤層頂底板含水層賦水性、臨近老空區積水、斷層水、鉆孔水、地表水等地質情況勘察和分析，13111 掘進工作面水文地質條件為中等型，工作面受頂板水、底板水、老空水、封孔不良鉆孔水影響較小，不受斷層水、地表水、陷落柱水影響。

1.3 巷道支護情況

13111 掘進巷道采用錨桿索、錨網、鋼筋梯子梁進行聯合支護，頂部錨桿采用規格為Ф20mm×2 000mm 高強度錨桿，錨桿間排距為800 mm×900mm。巷道頂部錨索呈“2-2”布置，間排距1 600 mm×1 000mm，錨索采用Ф18.9mm×5 200mm 鋼絞線。巷道幫部錨桿采用規格為Ф20mm×2 000mm 高強度錨桿，錨桿間排距為900mm×900mm。

1.4 巷道圍巖變化情況

根據現場觀測和調研發現，13111 掘進工作面在采取原支護方式時，在掘進2～3 個月以后，巷道頂部巖層開始產生裂隙，出現頂板離層、破碎、脫落等礦壓顯現顯現，嚴重時還會出現錨桿、錨索斷裂、脫落，頂板大面積下沉、垮落現象，給井下掘進作業帶來重大安全隱患。

2 頂板巖性特征分析

13111 掘進工作面直接頂板為泥巖，通過利用X射線衍射圖譜對頂板巖石特征進行分析可知，該礦井頂板泥巖結構成分中，石英石、高嶺石等礦物成分占比較大，如圖1 所示。

圖1 巷道頂板泥巖試樣X 射線衍射圖譜

為試驗頂板泥巖遇水和風化作用后變化特征，選取頂板泥巖試樣進行試驗，通過連續充水-風干4 個循環的破壞作用，產生了如圖2 所示的崩解過程。圖2（a）為頂板泥巖的初始狀態，在經過2 個循環的充水-風干作用以后，巖石結構開始發生了如圖2（b）所示的變化，開始出現破裂、脫落現象；在經過3 個循環的破壞作用后，將近有一半的巖層出現全部崩裂離體現象，如圖2（c）；在經過第4 個循環的作用之后，整個巖石試樣全部出現破碎、崩裂現象，如圖2（d）所示。

圖3 為使用電鏡圖掃描頂板泥巖試樣產生的圖像，由圖3 中可以看出，高嶺石、綠脫石和伊利石在泥巖中所占成分最多，它們之間相互穿插、毫無規則的堆積和分布，整個巖石結構體已經沒有一定的定向性，且其中產生了明顯的裂隙。

圖2 頂板泥巖試樣破壞變化過程

圖3 巖石泥巖電鏡掃描圖

通過以上研究分析，13111 掘進巷道頂板巖層中高嶺石、石英石等黏土類礦物質含量較大，該類礦物質易吸水，且吸水后極易出現膨脹變形，對泥巖內部結構產生裂隙發育。當巷道掘進施工后，巷道圍巖受掘進破壞影響造成應力重新分布，導致巷道頂板泥巖內部結構產生的裂隙增多，并發生擴展、貫通，從宏觀上顯示為泥巖內部產生明顯裂隙。

3 巷道支護優化

由以上分析研究可知，巷道整體結構發生失穩主要原因是由于巷道頂部泥巖層的不穩定性造成的[2]，頂板泥巖層的松軟、易破碎的特性造成錨網支護時巷道頂板錨桿性較差，巷道圍巖結構強度弱，抗拉能力差，同時因泥巖層吸水性強，且遇水發生膨脹變形，因此出現了巷道支護體失效，巷道出現破壞變形現象[3-4]，急需對原巷道支護方式進行優化以控制巷道圍巖變形，保證安全生產。

3.1 巷道斷面設計優化

對原巷道設計斷面尺寸4 200mm×2 800mm 進行優化調整為4 400mm×3 000mm，即將原巷道兩幫各刷寬100mm，巷道高度增加200mm，從而為巷道掘進后噴漿預留出足夠的空間。同時，由于3#煤層巷道頂板還存在400～600mm 厚的偽頂，其極為破碎，掘進支護過程中極難控制，而且巷道直接底板也是泥巖層，其也具有遇水膨脹、裂隙發育明顯等特征，因此，將原設計巷道沿底掘進改為破偽頂和破底板巖層進行施工。

3.2 巷道頂板支護參數優化

1）噴漿護表。為防止巷道掘進巖層裸露后風化侵蝕變形，采取在巷道掘進后滯后迎頭15～20m 對巷道頂部和幫部巖層表面噴射混泥土進行封閉保護，噴漿厚度要求巷道頂部50mm，幫部上方200mm，中間及下部50mm。

2）支護體優化。采取增加錨桿直徑和增長錨索長度的方式增加巷道整體支護強度。采用Ф22mm×2 400mm 左旋無縱筋錨桿代替原 Ф20mm×2 000mm 高強度錨桿。同時為加強巷道幫角處圍巖控制，將巷道兩幫肩窩處的錨桿角度均傾斜25°。將巷道頂部原采用的Ф18.9mm×5 200mm 錨索更換成Ф18.9mm×7 200mm 的錨索進行支護，巷道頂部兩邊的錨索角度由垂直方向更改為向左右兩幫傾斜20°布置。將原采用的鐵絲網更換為Ф6.5mm×1 000mm×2 000mm 的鋼筋點焊金屬網，支護體優化后支護圖如圖4。

圖4 巷道支護設計對比圖

4 巷道支護工藝優化效果分析

4.1 試驗數值分析

如圖5，為13111 掘進巷道采用優化后的支護方案后，巷道圍巖破裂變形及所受的剪切力變化過程。由圖中可見，在巷道剛開始成形階段，錨桿和錨索所承載的剪應力成均勻分布，巷道整體變形比較協調，巷道支護體結構比較穩定，對巷道圍巖變形能夠產生有效控制作用；當壓力增大到10MPa 后，巷道兩幫頂角開始出現受力變形，產生了一定的裂隙；當壓力增大到15MPa 時，巷道頂部錨索對圍巖剪應力仍然能夠起到承載作用，并能夠將巷道圍巖上部頂角的塑性變形線切斷，從而在巷道頂板上部形成一個對巷道圍巖剪應力具有一定承載能力和影響范圍的巷道承載體結構。因此，采用優化后的支護設計方案對巷道圍巖變形能夠起到很好的控制作用。

圖5 巷道圍巖破裂變形演變過程

4.2 工程實測分析

在13111 上順槽掘進巷道采用優化后的支護設計方案后，在工作面回采過程中，對上順槽巷道圍巖變化情況進行了現場實測，通過現場實時動態觀測情況，繪制如下圖6 曲線。

圖6 13111 工作面巷道圍巖受力變形監測曲線圖

由圖6 可以看出，在工作面推進過程中，工作面距離測點40m 以外時，巷道頂部和幫部移近量不明顯；在工作面距離測點40m 位置時，巷道頂部及幫部圍巖移近量開始出現急劇增大現象；當工作面推進至測點位置時，巷道頂板下沉量共計達到375mm，巷道兩幫移近量共計達到255mm。由以上觀測情況可知，采用優化后的支護設計方案后，巷道圍巖移近量未超出規定值，巷道能夠滿足安全回采需要。同時，通過現場實測和調研發現，工作面巷道整體結構較為穩定，頂板未出現冒頂、垮落現象，巷道返修率大大降低，從而極大提高了礦井回采效率，降低了成本投入。

5 結 語

1）頂板泥巖層結構內富含黏土類礦物質成分，極易遇水發生膨脹變形且裸露表層極易受風化侵蝕，圍巖內部結構裂隙發育增大。

2）通過對巷道施工斷面、支護參數、支護工藝等進行優化改進，提出了合理的巷道支護設計方案用于控制巷道圍巖變形。

3）采用優化后的支護設計方案后，13111 巷道在掘進和回采過程中，巷道圍巖變形在可控范圍之內，巷道結構整體性較好，確保了工作面安全高效回采。