復(fù)合頂板巷道圍巖變形控制研究與應(yīng)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(shù)研究一直以來都是霍州煤電井下支護(hù)的難點(diǎn)問題之一，煤礦井下軟弱頂?shù)装逑锏乐ёo(hù)與圍巖變形控制有大量學(xué)者曾做過詳盡研究?；糁菝弘娂瘓F(tuán)回坡底煤礦現(xiàn)開采10號煤層，煤層直接頂為較厚泥巖層，最大厚度達(dá)到7.5 m，此頂板巷道支護(hù)時(shí)，錨桿錨索錨固效果不佳，甚至出現(xiàn)錨固體失效現(xiàn)象，以10-113回采巷為例，巷道掘進(jìn)后1～2個(gè)月內(nèi)就會出現(xiàn)頂板變形破碎嚴(yán)重，局部出現(xiàn)垮落冒頂現(xiàn)象。針對該礦實(shí)際，采用理論分析、取樣試驗(yàn)、工程實(shí)測的綜合研究方法，對頂板泥巖試樣進(jìn)行相關(guān)特性研究，在研究基礎(chǔ)上對現(xiàn)場巷道進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)“錨-網(wǎng)-噴”聯(lián)合支護(hù)方式控制圍巖，取得了良好的效果，從而保證巷道安全穩(wěn)定，降低巷道返修率，促進(jìn)回采效率提升，具有一定的理論與實(shí)踐意義。

1 工程概況

1.1 煤層特征

霍州煤電集團(tuán)回坡底煤礦10-113回采運(yùn)輸巷位于井下一采區(qū)+630 m水平左翼，其掘進(jìn)工作面東側(cè)30 m為10-111采空區(qū)，西側(cè)為實(shí)體煤，南側(cè)為實(shí)體煤，北側(cè)為下組煤輔助運(yùn)輸巷。10-113掘進(jìn)巷道沿10號煤層走向布置，底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)斷面為矩形，凈寬4.0 m，凈高2.7 m，設(shè)計(jì)長度1 765 m，主要用于10-113回采工作面進(jìn)風(fēng)、運(yùn)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(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。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

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，10-113水文地質(zhì)條件為中等。其中頂板上部含水層為K2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，會對回采工作面及掘進(jìn)工作面造成一定的影響。

1.3 巷道支護(hù)方式

10-113回采巷道頂板采用錨網(wǎng)梁、錨索、鋼板聯(lián)合支護(hù)方式，頂錨桿選用φ18 mm×2 000 mm的高強(qiáng)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(wǎng)梁支護(hù)方式，幫錨桿選用φ18 mm×2 000 mm的高強(qiáng)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(jù)現(xiàn)場調(diào)研及觀察，10-113新掘巷道采用現(xiàn)有支護(hù)體系下，掘進(jìn)1個(gè)月左右，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(hù)等作業(yè)進(jìn)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(dá)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(jīng)過飽水-風(fēng)干連續(xù)4個(gè)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)所示；在經(jīng)歷2個(gè)循環(huán)后，出現(xiàn)了一定程度的斷裂、掉落現(xiàn)象，如圖2(b)所示；在經(jīng)歷3個(gè)循環(huán)過后，近半巖芯已完全破碎脫離整體，如圖2(c)所示；在經(jīng)歷4個(gè)循環(huán)之后，巖芯發(fā)生了完全破斷、碎裂現(xiàn)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(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(shí)擴(kuò)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(hù)優(yōu)化

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(qiáng)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(hù)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(hù)體系加強(qiáng)對圍巖變形的控制。

3.1 圍巖結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原巷道斷面尺寸為4 000 mm×2 700 mm，現(xiàn)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(kuò)寬100 mm，頂板上擴(kuò)100 mm，為噴射混凝土留設(shè)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(fā)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(jìn)。

3.2 圍巖支護(hù)參數(shù)優(yōu)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(nèi)噴射厚度30 mm，嚴(yán)格遵守噴射規(guī)程，達(dá)到要求噴射強(qiáng)度。

支護(hù)體優(yōu)化：①錨桿。頂板采用φ20 mm×2 200 mm高強(qiáng)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(qiáng)錨桿，為了加強(qiáng)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?yōu)橄蛲鈨A斜20°布置；③錨網(wǎng)。為加強(qiáng)頂板下位巖層剛度，采用φ6.5 mm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(hù)方案與原支護(hù)方案斷面對比如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)優(yōu)化方案與原方案斷面對比

4 優(yōu)化效果分析

4.1 數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對10-113回采巷道支護(hù)前后進(jìn)行數(shù)值模擬分析，建模時(shí)根據(jù)巷道圍巖條件以及物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示?？傊?，優(yōu)化支護(hù)方案可使巷道圍巖穩(wěn)定性得到良好的控制。

圖4 巷道圍巖應(yīng)力分布云

4.2 工程應(yīng)用分析

在10-113回采巷道應(yīng)用優(yōu)化支護(hù)方案后，在10-113回采工作面推進(jìn)過程中，對回采巷道圍巖變形情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)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(shí)，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(shí)，回采巷道頂板及兩幫變形開始增加；當(dāng)回采工作面推進(jìn)至距測站20 m時(shí)，巷道頂板及兩幫位移量急劇加大；當(dāng)工作面與測站重合時(shí)，頂板累積下沉量370 mm，兩幫累積收縮量250 mm。以上監(jiān)測結(jié)果表明，采用優(yōu)化支護(hù)方案后的巷道能夠保證回采安全生產(chǎn)，且據(jù)工程現(xiàn)場調(diào)研可知，采用優(yōu)化支護(hù)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(nèi)，且巷道支護(hù)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。

圖5 圍巖變形監(jiān)測曲線

5 結(jié)論

(1)頂板泥巖試樣中，黏土類礦物成分占比高達(dá)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(qiáng)度錨桿索-噴射混凝土-鋼筋焊接網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)巷道圍巖技術(shù)。

(3)優(yōu)化支護(hù)參數(shù)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(nèi)，巷道穩(wěn)定性明顯提升，同時(shí)可保證回采作業(yè)的安全快速推進(jìn)。