厚煤層軟弱頂板巷道圍巖控制技術(shù)研究

申少波

（晉煤集團趙莊煤業(yè)，山西 長治 046600）

近年來，隨著綜合機械化開采效率的提高、大采高開采的廣泛應(yīng)用，厚煤層、大斷面的巷道成為安全高效礦井追求產(chǎn)量的關(guān)鍵。但由于礦井開采深度加大，地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，厚煤層軟弱頂板礦井開采難度也越來越大。大部分軟弱頂板巷道煤層酥軟、破碎，給巷道支護帶來極大困難，若措施采取不到位，極易發(fā)生片幫、冒頂?shù)葹?zāi)害，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)。因此需對厚煤層軟弱頂板巷道圍巖控制技術(shù)開展研究，確保掘進巷道正常使用、采煤工作面正?；夭蒣1]。

1 工程概況

趙莊煤業(yè)W13111 膠帶順槽設(shè)計長度為522 m，巷道為矩形斷面，斷面5.6×4.5 m，凈斷面23.76 m2。所掘3#煤厚度為4.6～5 m，平均厚度4.75 m，煤層傾角0～8°，平均傾角5°。直接頂為1.50 m 厚黑色泥巖，基本頂為11.3 m 砂質(zhì)泥巖。附近巷道對W13111 膠帶順槽掘進影響不大。巷道布置如圖1 所示。

圖1 巷道布置圖

2 巷道圍巖控制技術(shù)優(yōu)化

W13111 膠帶順槽沿3#煤層底板掘進，但在掘進過程中，會出現(xiàn)頂板離層、巷道變形、局部片幫、煤炮響動、錨桿（索）斷裂等現(xiàn)象。圍繞軟巖巷道圍巖控制，提出以下解決措施。

（1）優(yōu)化巷道斷面

W13111 膠帶順槽泥巖頂板易風(fēng)化、不穩(wěn)定，隨割隨落，為避免泥巖頂板對巷道掘進的影響，將巷道高度控制在5.5 m 左右，斷面由5.6×4.5 m 變?yōu)?.6×5.5 m。此時巷道沿頂沿底掘進，頂?shù)诪樯百|(zhì)泥巖，為較穩(wěn)定巖層，承載力較強。若煤層厚度小于5.5 m 時，沿煤層頂?shù)装寰蜻M；若煤層厚度超過5.5 m 時，沿煤層頂板留底煤掘進。

（2）頂板長錨索補強

W13111 膠帶順槽巷道泥巖頂板風(fēng)化、碎脹后易出現(xiàn)離層，因此應(yīng)將頂板支護作為巷道圍巖控制的關(guān)鍵，增大錨固范圍，增強錨固體強度，提高頂板承載力[2]。

頂板原支護：每排6 根錨桿，排距為1.2m，錨桿規(guī)格為MSGLW-500 22/2400，錨固力不小于150kN，預(yù)緊力矩介于400～500Nm 之間。錨索插空每排2 根，間距2.4m，排距1.2m，型號為SKP22-1/1720-6300，一般要求錨索張拉達到350kN，預(yù)緊力損失后不小于250kN，外露長度不大于300mm。

頂板現(xiàn)支護：在現(xiàn)有頂板支護基礎(chǔ)上，排排補強兩根錨索，增大錨固范圍，錨固在穩(wěn)定砂質(zhì)泥巖中，形成穩(wěn)定錨固體[3]。

（3）幫部中空錨索

幫部原支護：幫部每幫6 根錨桿，其中4 根錨桿垂直于幫部，1 根幫角錨桿，1 根底角錨桿，間距800 mm，排距1.2 m，錨桿規(guī)格為MSGLW-500 22/2400，預(yù)緊力矩介于400～500 Nm 之間。矩形巷道開掘后，幫角、底角成為應(yīng)力集中區(qū)域，在此處分別打設(shè)大角度幫角、底角單體錨桿，在支護幫部的同時，還能有效維護頂板，防止底鼓。

幫部現(xiàn)支護：在增大幫部錨桿間距（800 mm增加到1000 m）的同時，在兩幫各布置2 根中空注漿錨索，間排距 3000×2400 mm，錨索規(guī)格為 Ф21.8×5000 mm。

（4）幫部煤體注漿

一盤區(qū)為高瓦斯區(qū)域，受瓦斯抽放影響，W13111 膠帶順槽幫部煤體酥軟，強度低，裂隙發(fā)育，幫部承載力較弱，需采取注漿措施充填煤層裂隙，使幫部圍巖形成整體，改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高幫部圍巖自承載力[4]。幫部注漿采用中空注漿錨索實現(xiàn)，注漿材料為聯(lián)邦加固Ⅰ號（雙液），正常注漿水灰比0.8:1，漏漿嚴重時可適當(dāng)減低水灰比，最低控制在0.7:1，漿壓力 6～8 MPa?，F(xiàn)場施工時采用低壓低流緩慢注漿工藝。當(dāng)漏漿嚴重時，應(yīng)適當(dāng)降低注漿壓力。

3 數(shù)值模擬分析

本數(shù)值模型基于 W13111 膠帶順槽的地質(zhì)條件建立，模型尺寸100 m×100 m×20 m。對巷道附近網(wǎng)格進行密集劃分，以保證模擬的準(zhǔn)確性。對模型上部施加25 MPa 載荷，并約束水平方向、垂直方向位移，以此來對比分析采取圍巖控制技術(shù)前后巷道圍巖位移和破壞特征。

圖2 巷道圍巖位移和破壞特征模擬

由圖2 可知，原先 W13111 膠帶順槽圍巖應(yīng)力基本集中在頂板、底板、幫角處，圍巖破壞處在塑性區(qū)。采取圍巖控制措施后，圍巖基本控制在彈性區(qū)域范圍內(nèi)，幫角應(yīng)力明顯降低，頂?shù)灼茐纳疃葴p少1.3 m，降低約59%。通過圍巖位移觀測，頂板、幫部、底板變形量分別減少44.1 mm、253 mm、61.3 mm，降低約54%、46%、57%，有效防止了圍巖破壞向深部發(fā)育，保證了巷道穩(wěn)定。

4 巷道圍巖觀測

（1）測點布置

采用“十字布點法”監(jiān)測巷道表面位移。在頂?shù)装?、兩幫中心點位置各布置1 個測點，共計4 個點，確保測點位于同一水平面。通過測量頂?shù)诇y點位置變化掌握頂?shù)装逡七M量隨時間變化的規(guī)律，測量兩幫測點位置變化掌握兩幫移進量隨時間變化的規(guī)律。分別在W13111 膠帶順槽185 m 處與315 m處建立測站進行觀測（W13111 膠帶順槽從310 m開始后期全部采用巷道圍巖控制措施）。

（2）圍巖位移監(jiān)測分析

圖3 巷道圍巖監(jiān)測曲線

由圖3 可知，W13111 膠帶順槽巷道圍巖變形隨時間增加而逐漸變大。采取圍巖控制措施后，頂板下沉量、兩幫移進量、底鼓量在0～60 d 內(nèi)呈線性增長關(guān)系，在60 d 左右達到穩(wěn)定值，而后隨著時間推移基本無變化。頂板下沉量最大值為72 mm，較優(yōu)化前減少53 mm，降低約42%；兩幫移近量最大值為130 mm，較優(yōu)化前減少340 mm，降低約72%；底鼓量最大值為80 mm，較優(yōu)化前減少95 mm，降低約54%。巷道變形主要以兩幫變形量為主，頂板下沉量和底鼓量不大，巷道圍巖完整性良好。

5 結(jié)論

針對趙莊煤業(yè)厚煤層軟弱頂板巷道支護效果差的問題，采取優(yōu)化巷道斷面、改變掘進方式、頂板長錨索補強、幫部中空錨索注漿等圍巖控制技術(shù)措施后，頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量較優(yōu)化前分別降低約42%、72%、54%，巷道變形主要以兩幫變形量為主，基本控制在130 mm 以內(nèi)，頂板下沉量和底鼓量控制在80 mm 以內(nèi)，巷道圍巖完整性良好。