馬蘭礦巷道圍巖變形分析及支護加強控制研究

蘇 克

（山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 工程背景

馬蘭礦某工作面回采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組02 號煤層，煤層厚度1.50～3.04 m，平均厚2.20 m，煤層結(jié)構(gòu)復雜，結(jié)構(gòu)為1.12（0.15）0.93，屬穩(wěn)定可采中厚煤層，普氏硬度2.0。02 號煤層在斷層面附近受牽引滑動影響，造成局部煤層增厚或變薄，最厚至3.20 m，最薄至0.5 m。其下部間隔3.5～8.5 m，平均6.5 m 為2 號煤。2 號煤平均煤厚2.20 m，普氏硬度2.5。根據(jù)鄰近工程及鉆孔資料分析，工作面中部局部節(jié)理發(fā)育，共計發(fā)育兩組主節(jié)理，節(jié)理密度2～8 條/米，煤頂板巖性軟弱，受力后節(jié)理面易張開，造成底鼓、頂板破碎及瓦斯異常涌出等情況，對工作面頂板支護有較大影響。

該工作面巷道為矩形斷面，凈寬5000 mm，凈高3500 mm，頂板采用“鋼筋網(wǎng)+W 鋼帶+錨桿”支護，兩幫采用“金屬菱形網(wǎng)+W 鋼護板+錨桿”支護。巷道在開挖過程中整體成型差，煤體片落嚴重，尤其是右肩窩處，在開挖時有輕微煤爆現(xiàn)象，造成煤體崩落，巷道震感明顯。

2 巷道變形監(jiān)測分析

現(xiàn)場變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該巷道有兩個區(qū)段出現(xiàn)頂板圍巖表面變形量大、離層量大的問題。監(jiān)測數(shù)據(jù)如下：

（1）巷道第一區(qū)段的圍巖變形監(jiān)測情況如圖1、圖2。由圖可知，頂板最大下沉量約240 mm，開挖半月后巷道平均變形速率仍維持在4 mm/d 左右，變形量和變形速率均較大，巷道兩幫收斂量約20 mm。頂板離層儀觀測淺部頂板離層量約20 mm，深部離層量約7 mm，主要為圍巖淺部離層。

圖1 位移—時間曲線

圖2 速率—時間曲線

（2）巷道第二區(qū)段的圍巖變形監(jiān)測情況如圖3。通過現(xiàn)場觀察可知，巷道頂板較破碎，部分錨網(wǎng)被壓成兜狀，錨梁被壓彎。該處頂板離層儀（安裝時距迎頭約為5 m）淺部離層量約85 mm，深部離層量約1 mm，15 d 后逐漸達到穩(wěn)定。

圖3 離層量曲線圖

3 巷道大變形原因分析

（1）地質(zhì)條件及圍巖性質(zhì)

巷道頂板巖層強度低，松軟破碎，煤體層與層之間、煤體與上覆巖層之間膠結(jié)差，在開挖以后極易造成表面圍巖破碎、變形量大及圍巖的離層?，F(xiàn)場施工中可以看到，頂板隨割隨墜落，自穩(wěn)能力差。

（2）支護方式

巷道施工管理存在一定不足，掘進隊為了搶進尺而忽視工程質(zhì)量與安全，加之現(xiàn)場人員多為新手，專業(yè)素質(zhì)相對較低，導致施工過程存在空幫作業(yè)、錨桿（索）預緊力不足、打設角度不合理等問題。

該巷道段煤體節(jié)理裂隙較發(fā)育，加之煤體應力等因素影響，掘進時巷道成型較差，肩窩（尤其右肩窩）及兩幫上部片幫后，導致頂板懸露跨度加大。在上覆巖層頂板壓力作用下，頂板節(jié)理裂隙進一步擴張，淺部煤層之間發(fā)生離層，從而變形量增大。

（3）掘進動壓

通過物理力學試驗可知，煤體承受反復荷載的能力弱，在反復荷載作用下會迅速軟化、破壞，且破壞時所承受的應力值明顯減小。該段巷道在掘進過程中，煤體易產(chǎn)生輕微煤炮，形成動壓，動壓造成巷道圍巖反復受力，相當于對圍巖進行加載—卸壓過程，從而導致其承受變形能力減弱，變形量增大。

4 巷道支護加強及預控措施

基于上述巷道現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，該段巷道的變形和離層主要發(fā)生在淺部圍巖，即錨桿錨固的范圍內(nèi)，深部圍巖相對較穩(wěn)定。因此，采用“頂板補強錨索+兩幫補打錨桿”的支護加強措施[1-8]，如圖4 所示。為防止巷道后續(xù)掘進施工變形過大，提出如下變形預控措施：

圖4 巷道支護加強控制（mm）

（1）嚴格進行超前鉆孔卸壓，最大程度防止煤體片落（尤其是右肩窩處），減少表面煤體破碎。

（2）巷道開挖后，應立即進行支護，錨桿（索）預緊力、安裝角度、間排距、聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量按照規(guī)程施做到位，杜絕長時間空頂、空幫作業(yè)。

（3）開挖過程中嚴格控制巷道兩幫尺寸，防止兩幫超距，如因片幫而造成超挖現(xiàn)象，相應進行補打錨桿支護。

5 支護加強后巷道變形分析

采用“頂板補強錨索+兩幫補打錨桿”的支護加強措施后，對巷道變形情況進行監(jiān)測分析。

由圖5 可知，巷道圍巖變形在20 d 內(nèi)發(fā)展較快，30 d 后變形較為穩(wěn)定，最大頂板下沉量28 mm，比支護加強前降低了約88%，變形控制效果顯著。說明通過打設錨索，將淺層圍巖變形傳遞到深部，顯著增大了圍巖變形抵抗力和支護結(jié)構(gòu)剛度；兩幫收斂量18 mm，比支護加強前降低了約10%。

圖5 巷道圍巖變形曲線

6 結(jié)論

（1）巷道圍巖變形較大的原因：巷道頂板煤體強度較低、松軟破碎，煤體與上覆巖層膠結(jié)差；巷道支護方式不合理，存在空幫作業(yè)、錨桿預緊力不足、打設角度不合理等問題；動壓造成巷道圍巖反復受力，煤體在反復荷載作用下迅速軟化、破壞。

（2）在巷道原支護結(jié)構(gòu)的基礎上，提出了“頂板補強錨索+兩幫補打錨桿”的支護加強措施，提出了“超前鉆孔卸壓、巷道開挖及時支護、嚴格控制巷道兩幫超挖”等變形預控措施。

（3）采用巷道“頂板補強錨索+兩幫補打錨桿”的支護加強措施后，頂板下沉量減小了約88%，兩幫收斂量減少約10%，變形控制效果顯著。