薄煤層半煤巖巷圍巖控制支護技術(shù)研究

王 磊

（山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限公司慈林山煤礦，山西 長子 046605）

由于礦井優(yōu)先開采賦存較好的煤層，因此對薄煤層的研究工作相對較少，對薄煤層巷道支護研究不重視，支護施工過程中存在參數(shù)設(shè)計不合理、施工質(zhì)量不達標等問題，使得巷道圍巖控制效果不理想，巷道后期返修工程量和成本較高。針對薄煤層巷道的穩(wěn)定與控制，專家學者前期取得了一定的研究成果[1-4]，為薄煤層軟弱煤巖體控制原理與技術(shù)研究提供了研究基礎(chǔ)。

本文基于對慈林山9107 運輸巷變形破壞原因的分析，提出了圍巖變形控制技術(shù)要點，并結(jié)合巷道圍巖條件設(shè)計了支護參數(shù)?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，經(jīng)過錨索+穿層錨桿補強后，有效控制了巷道變形破壞，成功地抑制了巷道片幫，巷道變形量在可控范圍內(nèi)，保障了回采巷道服務(wù)期間的正常使用。

1 工程背景

1.1 9107 運輸巷地質(zhì)條件

9107 運輸巷位于井田北翼一盤區(qū)，設(shè)計沿9#煤層頂板東西向掘進，長度為1422 m，巷道斷面為4.6 m×2.4 m，用于承擔9107 工作面的進風、運輸、行人等任務(wù)。9#煤層平均埋深為310 m，煤層厚度0～1.98 m，平均厚度1.6 m，煤層傾角2°，屬于近水平薄煤層。直接頂為泥巖，平均厚度2.4 m；基本頂為粉砂巖，平均厚度為5.6 m；底板為砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.2 m。根據(jù)物探資料顯示，該巷道在掘進區(qū)域內(nèi)無大的陷落柱和大的斷層等地質(zhì)構(gòu)造。巷道掘進過程中，隨煤層傾伏變化巷道的角度變化較小。工作面布置示意圖如圖1。

圖1 工作面布置示意圖

1.2 9107 運輸巷原支護情況

9107 運輸巷斷面形狀為矩形，巷道寬4.6 m，高2.4 m，采用鉆爆法破底掘進施工。原支護形式為錨桿支護，頂板選用型號Φ20 mm×L2000 mm高強錨桿，間排距800 mm×800 mm；幫部選用型號Φ18 mm×2000 mm 玻璃鋼錨桿支護，間排距900 mm×800 mm。巷道原支護方案如圖2。

由于巷道圍巖較為松軟破碎，同時半煤巖巷存在煤巖交界面，在原支護方案下，掘進工作面推進50 m 后，后方巷道變形顯著，頂板明顯下沉，同時幫部玻璃鋼錨桿發(fā)生脫錨現(xiàn)象（如圖3），片幫嚴重，威脅工作面人員、設(shè)備安全。

圖2 巷道原支護方案

圖3 巷幫玻璃鋼錨桿脫錨

2 薄煤層軟巖巷道圍巖變形控制技術(shù)

2.1 巷道變形原因分析

（1）巷道頂?shù)装辶W性能差，松軟破碎。煤層頂、底板的巖性主要為泥巖，巖石力學強度較低，受擾動易變形破壞。同時由于巖體由黏土礦物組成，因而遇水易膨脹、崩解，且易風化。

（2）頂板賦存砂巖含水層。據(jù)鉆孔揭露情況，巷道賦存較大范圍的頂板砂巖含水層。受頂板淋水影響，加之圍巖較為破碎，錨桿等支護構(gòu)件易受水侵蝕破壞，同時泥巖頂板遇水泥化崩解，支護系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

（3）煤層厚度波動不定。受煤層厚度變化影響，半煤巖巷道圍巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，圍巖巖性復(fù)雜多變。巷道施工過程可能會遇到全煤、半煤巖和全巖等斷面情況，巖性大幅波動為巷道支護設(shè)計與施工帶來了阻礙。

2.2 圍巖變形控制技術(shù)及支護參數(shù)

針對9107 巷道圍巖松軟破碎且存在煤巖交界面這一條件，為控制圍巖變形，提出采用錨桿索補強圍巖控制技術(shù)保障巷道穩(wěn)定，可實現(xiàn)改善巷道圍巖承載性能、增強煤巖體整體完整性、抑制巷道變形的效果。

2.2.1 支護原理

（1）發(fā)揮巷道深部穩(wěn)定巖體的承載能力，強化錨索支護作用。在對巷道進行支護時，可充分利用兩肩和兩窩應(yīng)力集中壓縮區(qū)穩(wěn)定巖體的承載力。

（2）改善支護結(jié)構(gòu)與圍巖的變形協(xié)調(diào)性，實現(xiàn)高阻柔性支護。半煤巖巷道的變形呈不均勻特征，應(yīng)在變形初期適當考慮讓壓，并及時實現(xiàn)高剛度阻力支護，避免產(chǎn)生大量有害變形。這就要求支護結(jié)構(gòu)與煤巖體具有較好的協(xié)調(diào)性，即支護結(jié)構(gòu)應(yīng)具有讓壓性和高阻性。

（3）提高巷道圍巖的整體穩(wěn)定性，使巷道全斷面變形在可控范圍之內(nèi)。為保證整個巷道斷面煤巖體的穩(wěn)定，應(yīng)遵守強力控頂、幫部抗剪的原則。一方面要注意保證頂板的穩(wěn)定性，避免由于覆巖離層引起的幫部承受載荷過高，進而引起幫部變形顯著。若巷幫變形量較大，會出現(xiàn)頂板下沉空間，將無法避免頂板下沉破壞?？赏ㄟ^在頂板布置高預(yù)緊力錨索實現(xiàn)強力控頂。另一方面需注意控制煤巖結(jié)構(gòu)面剪切滑移?？赏ㄟ^布置穿層高強錨桿以控制層間滑移，抑制半煤巖巷道的不均勻或局部變形，保障巷道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（4）增大錨桿索托盤尺寸，增大護表面積，提高幫部側(cè)向支護阻力。通過采用大尺寸墊板，配合槽鋼或鋼帶支護，增加巷道表面的護表面積，充分發(fā)揮出預(yù)緊作用。

（5）提高托盤等護表結(jié)構(gòu)的材料剛度。若托盤強度不夠，無法施加高預(yù)緊力，通過選用優(yōu)質(zhì)高強度鋼材制成的托盤，使穿層錨桿在煤巖交界面處具有高錨固力，從而有效抑制煤巖層間的剪切滑移。

（6）注意發(fā)揮巷道兩肩深窩的承載能力。巷道開掘后圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布，本質(zhì)是應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移。由于兩幫煤體承擔上覆巖層載荷，因此會在巷道肩窩位置產(chǎn)生應(yīng)力壓縮區(qū)（圖4）。該區(qū)域應(yīng)力高度集中，圍巖在壓應(yīng)力作用下形成一個較為穩(wěn)定的區(qū)域，若將錨索的錨固位置設(shè)在此區(qū)域可實現(xiàn)良好的支護效果。巷道底板的兩幫煤體下方也有應(yīng)力集中區(qū)域。針對巷道圍巖力學狀態(tài)分布特征，可布置傾斜錨索實現(xiàn)圍巖的深層錨固。

圖4 半煤巖巷圍巖控制原理

2.2.2 支護參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)9107 運輸巷巷道圍巖條件，結(jié)合巷道原支護參數(shù)，綜合上述分析與工程類比，確定了薄煤層半煤巖巷圍巖變形控制方案及技術(shù)參數(shù)，如圖5。

補強錨索選用Φ21.6 mm×L4000 mm 的普通錨索，頂板垂直布置三根，間排距2 000 mm×2000 mm；頂?shù)装鍍蓚?cè)肩窩各布置一根斜拉錨索，與垂直方向的夾角為60°。穿層錨桿選用型號為Φ20 mm×L2000 mm 的高強錨桿，與水平方向夾角為30°。

圖5 巷道補強支護方案

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

采取錨索補強+穿層錨桿控制技術(shù)對原支護方案進行優(yōu)化后，圍巖結(jié)構(gòu)完整性及承載能力被改善加強，能夠抑制頂板下沉及煤巖交界面滑移錯動。為驗證支護效果，對巷道圍巖變形情況進行了觀測分析，巷道變形情況如圖6。

由圖6 可知：巷道的頂板下沉量、兩幫移近量、底鼓量在巷道掘進初期快速增加，當掘進工作面向前推進至大概50 m 遠時，巷道圍巖的變形速率開始逐漸減小，變形趨于穩(wěn)定。最終，巷道兩幫移近量達100 mm，頂板下沉量達87 mm，底鼓量達17 mm，表明采取錨索補強+穿層錨桿控制技術(shù)后能夠有效對巷道圍巖進行加固，改善了圍巖承載性能，抑制巷道圍巖變形破壞，保證了巷道服務(wù)期間的通暢。

圖6 巷道變形量曲線

4 結(jié)論

（1）針對慈林山煤礦9107 運順巷原支護巷道圍巖控制效果不佳問題，分析了巷道變形原因，提出圍巖控制原理，并結(jié)合巷道條件設(shè)計了支護參數(shù)。

（2）采取錨索補強+穿層錨桿加固措施后，現(xiàn)場實測表明支護效果良好，改善了圍巖承載性能，抑制了巷道變形破壞，保障了服務(wù)期間巷道的穩(wěn)定。