三交河煤礦復(fù)雜頂板巷道圍巖變形控制研究與應(yīng)用

董勝杰

（霍州煤電集團汾河焦煤股份有限公司，山西 洪洞 041602）

0 引 言

軟巖巷道圍巖控制技術(shù)研究一直以來都是地下空間支護的難點問題之一，針對煤礦井下軟弱頂?shù)装逑锏赖闹ёo與圍巖變形控制研究，有專家學(xué)者曾做了詳盡研究[1-5]。山西焦煤霍州煤電集團三交河煤礦現(xiàn)開采10#煤層，煤層直接頂為較厚泥巖層，最大厚度達到8.7m，此頂板巷道支護時，錨桿錨索錨固效果不佳，甚至出現(xiàn)錨固體失效現(xiàn)象，以10-203回采巷為例，巷道掘進后1～2個月內(nèi)出現(xiàn)了頂板變形破碎嚴(yán)重，局部出現(xiàn)垮落冒頂現(xiàn)象?，F(xiàn)采用理論分析、取樣試驗、工程實測的綜合研究方法，對頂板泥巖試樣做了相關(guān)特性分析研究，并在研究基礎(chǔ)上對現(xiàn)場巷道進行了支護參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)了“錨-網(wǎng)-噴”聯(lián)合支護方式控制圍巖，取得了良好的實際效果，從而保證了巷道安全穩(wěn)定，降低了巷道返修率，促進了回采效率提升，具有重要的理論指導(dǎo)意義與實際工程實用價值。

1 工程概況

1.1 煤層特征

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

山西焦煤霍州煤電集團三交河煤礦10-203回采運輸巷位于井下二采區(qū)+850m水平南翼，其掘進工作面東側(cè)30m為10-201采空區(qū)，西側(cè)為實體煤，南側(cè)為實體煤，北側(cè)為下組煤輔助運輸巷。10-203掘進巷道沿10#煤層走向布置，底板掘進，設(shè)計斷面為矩形，凈寬4.0m，凈高2.7m，設(shè)計長度1765m，主要用于10-203回采工作面進風(fēng)、運煤及行人。10#煤層埋深326m～369m，平均埋深 348m，煤層厚度 1.6～2.5m，平均厚度3.5m，煤層傾角0°～10°，平均傾角5°。煤層特征為：黑色塊狀，條帶狀結(jié)構(gòu)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(shù)為1，變異系數(shù)為15%，夾矸為泥巖。煤層直接頂與直接底均為泥巖，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，頂?shù)装鍘r性特征見表1所示。

1.2 水文地質(zhì)情況

通過對地表水、煤層頂板含水層、上覆采空區(qū)積水等情況的勘察與分析，10-203水文地質(zhì)條件為中等。其中頂板上部含水層為K2、K3灰?guī)r含水層，在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育及含水層裂隙發(fā)育地段，頂板淋水可能性增加，會對回采及掘進工作面造成一定影響。

1.3 巷道支護方式

10-203回采巷道頂板采用錨網(wǎng)梁、錨索、鋼板聯(lián)合支護方式，頂錨桿選用φ18×2000mm的高強錨桿，“五·五”布置，間排距為 900mm×1000mm，頂錨索選用φ21.6mm×5200mm的鋼絞線，“二·二”布置，間排距為2000mm×2000mm；巷道兩幫采用錨網(wǎng)梁支護方式，幫錨桿選用φ18mm×2000mm的高強錨桿，“三·三”布置，間排距為1000mm×1000mm。

1.4 巷道圍巖破壞特征

距現(xiàn)場調(diào)研及觀察，10-203新掘巷道采用現(xiàn)有支護體系下，在掘出1個月左右時，巷道頂板開始出現(xiàn)開裂、破碎、脫落、淋水等現(xiàn)象，甚至局部發(fā)生整體冒落情況，頂板部分錨索出現(xiàn)拉裂、脫落現(xiàn)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(yè)進行難度隨之增加。

2 泥巖頂板特性分析

如圖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

如下圖2，為頂板泥巖試樣經(jīng)過飽水-風(fēng)干連續(xù)4個循環(huán)的破壞崩解過程，可見，初始泥巖試樣為完整巖芯，如圖2（a）,在經(jīng)歷2個循環(huán)過后，出現(xiàn)了一定程度的斷裂、掉落現(xiàn)象，如圖2（b）；在經(jīng)歷3個循環(huán)過后，近半巖芯已完全破碎脫離整體，如圖2(c)，在經(jīng)歷4個循環(huán)之后，巖芯發(fā)生了完全破斷、碎裂現(xiàn)象，如圖 2（d）。

圖2 泥巖試樣崩解過程

如圖3，為頂板泥巖試樣掃描電鏡圖，可見，有大量薄片狀高嶺石及條葉狀綠脫石與伊利石，其毫無規(guī)則的雜亂堆積，相互間插，無規(guī)律分布，結(jié)構(gòu)單元體已失去應(yīng)有的定向性，可見有明顯裂隙生成。

圖3 泥巖試樣掃描電鏡圖

結(jié)合以上研究所述，10-203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(jié)構(gòu)內(nèi)生裂隙發(fā)育。當(dāng)巷道開挖后，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致頂板泥巖微小裂隙發(fā)育嚴(yán)重，同時擴展、貫通，宏觀表現(xiàn)為明顯裂隙生成，易形成導(dǎo)水通道。

3 圍巖支護優(yōu)化

由上文分析可知，巷道頂板泥巖層的不穩(wěn)定性是巷道整體失穩(wěn)的關(guān)鍵問題所在，頂板泥巖軟弱、破碎的性質(zhì)使得錨固體錨固效果不佳，錨固區(qū)內(nèi)圍巖結(jié)構(gòu)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(xiàn)有的支護體系已不能夠成為巷道保持穩(wěn)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(jié)構(gòu)優(yōu)化

原先巷道斷面尺寸為4000mm×2700mm，現(xiàn)對即將要掘出的巷道要求斷面為4200mm×2800mm，即兩幫各擴寬100mm，頂板上擴100mm，為噴射混凝土留設(shè)足夠空間。另外，由于10#煤層頂板存在大約500mm厚的破碎偽頂難以控制，且煤層直接底也為裂隙發(fā)育、遇水膨脹的泥巖層，所以要求新掘巷道改為沿10#煤層破頂破底掘進。

3.2 圍巖支護參數(shù)優(yōu)化

1）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50mm，巷道兩幫上部500mm內(nèi)噴射厚度30mm，嚴(yán)格遵守噴射規(guī)程，達到要求噴射強度。

2）支護體優(yōu)化。錨桿：頂板采用φ20mm×2200mm高強度螺紋鋼錨桿取代原先的φ18mm×2000mm錨桿，兩幫仍采用φ18mm×2000mm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°。錨索：頂板錨索長度由原先的5200mm增長為7000mm，布置角度由原先的垂直布置改變?yōu)橄蛲鈨A斜20°布置。錨網(wǎng)：為加強頂板下位巖層剛度，采用φ6.5mm鋼筋焊接網(wǎng)取代原鐵絲網(wǎng)和鋼筋梯子梁。巷道優(yōu)化支護方案與原支護方案斷面對比圖如圖4。

圖4 巷道支護優(yōu)化方案與原方案斷面對比圖

4 優(yōu)化效果分析

4.1 數(shù)值試驗分析

圖5 圍巖破裂演化過程

如圖5所示，為10-203應(yīng)用優(yōu)化支護方案后的巷道圍巖破裂及剪應(yīng)力演化過程?？梢?，初始階段，錨桿索所受剪應(yīng)力分布勻稱，變形協(xié)調(diào)較好，支護體系整體較為穩(wěn)定，能夠有效控制圍巖變形；當(dāng)加壓至10MPa時，巷道頂角開始出現(xiàn)一定裂隙；當(dāng)加壓至15MPa時，錨索仍能夠承擔(dān)圍巖剪應(yīng)力，并能切斷圍巖頂角的塑形滑移線，使得在巷道頂板上方能夠形成一個具有一定能力和范圍的承載體結(jié)構(gòu)?？偟膩碚f，優(yōu)化支護方案可使巷道圍巖穩(wěn)定性得到良好的控制。

4.2 工程應(yīng)用分析

在10-203回采巷道應(yīng)用優(yōu)化支護方案后，在10-203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(tài)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 圍巖變形監(jiān)測曲線圖

由圖6可知，回采期間，回采工作面距測站40m以外時，巷道ing版及兩幫位移量變化不明顯；回采工作面距測站40m時，回采巷道頂板及兩幫變形開始增加；當(dāng)回采工作面推進至距測站20m時，巷道頂板及兩幫位移急劇加大；當(dāng)工作面與測站重合時，頂板累積下沉量為370mm，兩幫累積收縮量為250mm。以上監(jiān)測結(jié)果表明，采用優(yōu)化支護方案后的巷道能夠保證回采安全生產(chǎn)，且距工程現(xiàn)場調(diào)研可知，采用優(yōu)化支護方案后，10-203回采巷道圍巖整體變形量能夠控制在合理范圍之內(nèi)，且巷道支護構(gòu)件受力較為均勻，巷道整體較為穩(wěn)定，有效改善了原先巷道圍巖破壞嚴(yán)重，頂板變形不易控制的難題。

5 結(jié) 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(nèi)生裂隙較為發(fā)育；

2）提出采用高強度錨桿索-噴射混凝土-鋼筋焊接網(wǎng)聯(lián)合支護巷道圍巖技術(shù)；

3）優(yōu)化支護參數(shù)后的10-203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(nèi)，巷道穩(wěn)定性明顯提升，同時可保證回采作業(yè)的安全快速進行。