厚軟弱頂板巖層巷道圍巖控制技術研究與應用

劉小軍

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

以井工開采為主的煤礦，需要掘進大量的地下巷道，保證巷道在服務期內的穩定直接關系到煤礦的安全高效開采［1-2］。當巷道掘進揭露賦存較厚、巖性軟弱的頂板巖層，采用普通的錨網索支護時，錨桿錨固在破碎圍巖區域；而由于厚軟弱頂板巖層使錨索無法錨固至基本頂穩定巖層，易出現頂板整體性下沉現象，從而誘發巷道災變型失穩［3-5］。為此，本文以新大地公司15303 工作面回風順槽掘進揭露8.18 m厚的黑色軟弱泥巖為工程背景，通過分析厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖變形破壞特征，提出采用高密度錨索進行頂板支護，使錨索形成的壓應力區相互疊加并在軟弱頂板巖層內形成拱形承載結構，從而實現厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖的穩定控制。

1 工程概況

新大地公司15303 工作面回風順槽位于井田三采區，水平標高為+979～+1 036 m；東部為已采的15302 工作面，西部為設計未采的15304 工作面，北部為西翼采區大巷，南部與山西運通煤業有限公司（原九京煤礦及井玉溝煤礦）相鄰，巷道沿15#煤層頂板掘進。巷道揭露煤層賦存較穩定，煤層厚度在5.00～5.80 m之間，平均煤厚5.52 m，結構簡單，煤層節理較發育；直接頂為黑色泥巖，平均厚度8.18 m，性軟，斷口平坦狀，含植物根莖化石；基本頂為黑灰色細砂巖，平均厚度7.82 m，薄層狀，水平層理，粉粒結構，塊狀構造，成份以砂質為主；直接底為砂質泥巖，平均厚度2.80 m，性脆，斷口參差狀，含豐富的植物化石。15303 工作面回風順槽設計斷面為矩形斷面，掘進寬度5.2 m，掘進高度4.2 m。

15302 工作面位于15303 工作面東部，其頂板賦存特征與15303 工作面類似，在15302 工作面回采巷道采用普通的錨網索支護，掘進過程中出現嚴重巷道變形現象，直接影響到工作面的安全高效開采，其變形破壞特征（見圖1）如下：

圖1 巷道變形破壞特征

1）巷道頂板出現大范圍下沉現象，頂板下沉量高達600～700 mm；鋼帶和金屬網扭曲、反轉嚴重，網兜現象明顯，局部出現頂板整體性下沉（錨桿錨固區域整個下沉），冒頂現象嚴重。

2）巷道兩幫頂角和底角位置出現嚴重的滑移現象和壓剪破壞，幫部局部區域整體外移，裂隙發育程度較高。

由于15302 工作面回采巷道掘進時期變形嚴重，影響了巷道掘進效率，造成了采掘接續緊張局面。因此，在類似條件下15303 工作面回風順槽掘進支護時，必須采取具有針對性的技術參數，已保證巷道掘進效率。

2 厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖控制技術

試驗巷道掘進揭露8.18 m厚的黑色軟弱泥巖，易出現頂板整體性下沉現象，巷道圍巖維護困難。基于此，經多次分析研究后，針對性地開發了厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖控制技術。該技術采用高密度錨索進行頂板支護，使錨索形成的壓應力區相互疊加并在軟弱頂板巖層內形成拱形承載結構，從而實現厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖的穩定控制。

其支護參數如下：

1）頂板采用高密度錨索+W鋼帶+ 經緯網聯合支護。具體支護形式為：頂部每排布置5 根錨索，錨索布置于鋼帶上，間距1 200 mm，排距為1 000 mm；經緯網選用6 000 mm×1 100 mm的經緯網，長邊垂直掘進方向鋪設；W鋼帶選用5 000 mm×280 mm×4 mm（長×寬×厚）；頂錨索選用Ф21.6 mm×7 200 mm鋼絞線，垂直于頂板支護，錨索配套選用300 mm×270 mm×12 mm可調心拱形高強托板，錨固劑選用2 支MSCK Ф 23 mm/1 200 mm型；張拉預緊力不小于300 kN，使用YCD-22-370 型號張拉千斤頂，壓力表讀數為50.9 MPa為合格。具體錨桿索布置和支護參數見圖2。

2）幫部采用錨桿+ 錨索+ 經緯網支護。具體支護形式為：每排每幫布置4 根錨桿，布置2 根幫錨索，最上排錨桿距頂為400 mm，錨桿間距為1 000 mm，最下排錨桿距底板為800 mm，排距1 000 mm，錨索間距2 000 mm，排距為1 000 mm；錨桿垂直巷幫支護，幫錨桿選用鋼號335、規格Ф20 mm×2 200 mm的高強錨桿，錨桿配套選用120 mm×120 mm×10 mm可調心拱形高強托板，錨桿錨固劑選用2 支MSCK Ф23 mm/600 mm型，錨桿預緊扭矩不低于300 N·m；幫錨索選用Ф17.8 mm×4 200 mm 鋼絞線，錨索配套選用300 mm×270 mm×12 mm可調心拱形高強托板，錨索錨固劑選用1 支MSCK Ф23 mm/1 200 mm型；錨索張拉預緊力不小于230 kN，使用YCD-22-370 型號張拉千斤頂，壓力表讀數為40 MPa為合格；經緯網選用6 000 mm×1 100 mm的經緯網。錨桿索布置和支護參數見圖2。

圖2 巷道支護斷面

3 巷道圍巖控制效果

將開發的厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖控制技術應用于新大地公司15303 工作面回風順槽。技術應用后，現場監測圍巖變形情況，圖3 中給出了試驗巷道掘進影響至穩定時期的圍巖變形曲線圖。由圖可知：試驗巷道掘進影響時期大約110 d，該階段內巷道產生較大變形；巷道掘出0～80 d內巷道變形速度相對較快，該階段頂板、底板、實煤體幫、煤柱幫變形速度分別約1.4 mm、1.7 mm、1.1 mm、1.2 mm/d，累計變形量分別為114 mm、132 mm、88 mm、97 mm；巷道掘出80～110 d內巷道變形速度相對較慢，該階段頂板、底板、實煤體幫、煤柱幫變形速度分別約0.4 mm、0.5 mm、0.3 mm、0.3 mm/d，累計變形量分別為11 mm、15 mm、9.9 mm；巷道掘出110d后試驗巷道處于穩定時期，此時巷道頂板、底板、實煤體幫、煤柱幫累計變形量分別為126 mm、149 mm、97 mm、106 mm。綜上所述，巷道圍巖變形量均較小，但未對巷道底板進行支護，屬于薄弱區域，變形量相對較大。同時，現場調研發現，巷道頂板完整性較好，未出現大范圍的頂板下沉現象，證明了厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖控制技術的合理性和優越性。

圖3 試驗巷道變形曲線

4 結語

針對厚軟弱頂板巖層下巷道維護困難問題，以新大地公司15303 工作面回風順槽掘進揭露8.18 m厚的黑色軟弱泥巖為工程背景，分析了厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖變形破壞特征，設計了厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖控制技術。該技術采用高密度錨索進行頂板支護，使錨索形成的壓應力區相互疊加并在軟弱頂板巖層內形成拱形承載結構，從而實現厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖的穩定控制。該技術應用后，有效解決了厚軟弱頂板巖層下巷道維護難題，實現了15303 工作面回風順槽的穩定控制。