伏巖煤業3202(上)工作面軟弱頂板回采巷道圍巖控制技術研究

李晉軍

(山西陽城陽泰集團 伏巖煤業有限公司，山西 陽城 048105)

1 工程概況

伏巖煤業開采的3號煤層均厚為4.96 m，平均傾角4°，煤層賦存穩定，硬度為1.2，采用分層開采方式。煤層直接頂為粉砂質泥巖，均厚12.67 m，基本頂為細粒砂巖，均厚3.5 m；直接底為炭質泥巖，均厚0.6 m，基本底為砂質泥巖，均厚4.5 m。3202(上)工作面位于二采區，該工作面頂板屬于厚層軟弱頂板類型，由于礦井為煤與瓦斯突出礦井，初步設計中二采區工作面采用“兩進兩回”的通風方式，上區段工作面進風巷沿空留巷作為下區段工作面的輔助回風巷使用，初步設計中回采巷道間的煤柱寬度為16 m。

二采區3201(上)工作面為3202(上)工作面的臨近工作面，兩工作面地質條件基本相同，3201(上)工作面回采巷道煤柱寬度為17 m，運輸與回風巷斷面尺寸相同，凈高×凈寬=3 200 mm×4 500 mm，均采用錨網索支護，頂板及兩幫均采用D20 mm×2 400 mm的錨桿，間排距均為1 000 mm×1 000 mm，頂板錨索采用D21.6 mm×8 300 mm的鋼絞線，間排距為2 000 mm×2 000 mm，用10號菱形金屬網進行護幫護頂，具體支護斷面如圖1所示。根據礦壓觀測數據可知，運輸巷及回風巷在掘進期間巷道頂底板及兩幫平均變形量在0.6～1.0 m， 工作面回采期間巷道頂底板及兩幫最大變形量均超過了1.5 m，影響了工作面的正常回采作業，根據工作面實測知回采巷道的煤柱支撐應力峰值為14～18 m。為保證3202(上)工作面回采巷道的穩定，需對回采巷道的煤柱及支護方案進行優化設計。

圖1 3201(上)工作面回采巷道原有支護斷面(mm)

2 軟弱頂板控制技術

錨桿支護技術在巷道圍巖控制中大范圍使用，錨桿能夠改善圍巖的應力狀態，在一定程度上調節圍巖的應力分布，同時錨桿還能夠在錨固層位上與煤巖體形成一定的錨固體，進而使得圍巖體自身能夠發揮最大的自承能力。但對厚層軟弱頂板，在使用錨桿索支護技術時，需要進行兩個方面的優化：

1) 須充分強化保障頂板承載結構。由于厚層軟弱頂板巷道，其頂板下沉量較大，且易出現頂板整體下沉的現象，故對厚層軟弱頂板進行支護時，應加大頂板的錨固范圍，在頂板形成有效的加固厚度，提高頂板錨固區的強度和剛度，進而有效控制住頂板淺部圍巖的擴容與松動現象；對于厚層軟弱頂板，存在錨索無法錨固到堅硬頂板的現象，基于該特點需縮小錨索的間距，使各根錨索之間形成的壓應力區域相互疊加，進而將壓應力區域有效聯結為一個整體，從而在頂板上形成一個具有一定承載能力的加固拱[1-2]，如圖2所示。

2) 強化幫部承載能力，保障頂幫協同支護。在巷道頂板下沉的過程中，頂板壓力會不斷地向兩幫煤體進行轉移，使巷道的兩幫出現應力集中現象，兩幫煤體出現大范圍的失穩破壞，會進一步惡化頂板的受力狀態，使頂板進一步出現下沉。為有效控制厚層軟弱頂板的整體下沉，需加強幫部的支護，由于兩幫煤體的強度較低，且幫部的破壞形式主要為煤體交界面的滑移和壓剪破壞，據此針對厚層軟弱頂板煤幫的加固，可通過采用錨桿與短錨索聯合支護的形式，提高巷道幫部的強度，具體其支護機理如圖3所示，提高幫部的支護強度能夠有效控制兩幫變形量，同時控制頂板下沉量[3-4]，以此形成巷道強幫護頂的整體支護形式。

圖2 厚層軟弱頂板錨索加固拱示意

圖3 軟弱頂板幫部短錨索與錨桿支護示意

3 圍巖控制方案及效果

3.1 煤柱寬度優化

3202(上)工作面回采巷道間原設計煤柱寬度為16 m，為確定3202(上)工作面運輸巷與進風巷，回風巷與輔助回風巷間的合理煤柱寬度，采用FLAC3D數值模擬軟件進行分析，建立的模型長×高×寬=150 m×130 m×10 m，固定模型底部及兩側的位移，并根據實際地質條件進行巖層各參數的賦值，分別模擬回采巷道煤柱寬度為4～9 m條件下，回采巷道圍巖的變形規律，如圖4所示。

由圖4可知，巷道兩幫的變形量隨著煤柱寬度的增大，出現先增大后逐漸減小的趨勢，當煤柱寬度由4 m增大至9 m過程中，煤柱幫的變形量出現先增大后逐漸穩定的趨勢，實體煤幫的變形量由467 mm減小到422 mm，變化不明顯，當煤柱寬度增大到6 m后，煤柱幫的變形量基本穩定在約13 600 mm；巷道頂底板的變形量隨著煤柱寬度的增大，總體上呈減小的趨勢，底板的鼓起量在煤柱寬度為5 m時最大，達到523 mm，隨后減小到432 mm。綜上分析，當煤柱寬度大于6 m時，即能夠保障巷道圍巖的穩定，結合3202工作面的具體地質條件，綜合確定回采巷道間煤柱的寬度為8 m。

圖4 不同煤柱寬度下巷道圍巖變形量

3.2 支護方案設計

根據厚層軟弱頂板控制技術的原理，結合工作面的具體情況對3202(上)工作面進風巷的支護方案進行具體設計：

1) 頂板支護。頂板錨桿采用D20 mm×2 400 mm的無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，錨固形式為端頭錨固，采用K2335樹脂錨固劑和Z2360錨固劑各一卷，錨桿預緊力大于300 N·m；錨索采用D21.6 mm×8 300 mm的高強低松弛預應力鋼絞線，間排距為1 200 mm×2 000 mm，采用1卷K2335和2卷Z2360型樹脂錨固劑端頭錨固，預緊力為200 kN，錨索托盤采用150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盤與300 mm×300 mm×10 mm的方托盤進行配合使用。

2) 兩幫支護。錨桿采用D20 mm×2 400 mm的無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為750 mm×1 000 mm，預緊力大于300 N·m，錨桿間采用鋼筋梯子梁進行連接，鋼筋梯子梁規格為2 000 mm×88 mm，采用D14 mm的Q235圓鋼焊接而成；短錨索采用D17.8 mm×5 300 mm高強低松弛預應力鋼絞線，間排距為1 500 mm×2 000 mm，預緊力為150 kN，采用1卷K2335和2卷Z2360型樹脂錨固劑端頭錨固。支護方案如圖5所示。

圖5 3202(上)工作面進風巷支護斷面(mm)

3.3 效果分析

為有效驗證3202(上)工作面煤柱優化和采用支護方案后圍巖的控制效果，在3202(上)工作面回采期間，采用十字布點法對巷道圍巖的變形情況進行了觀測，觀測結果如圖6所示。

圖6 工作面回采期間圍巖變形量

由圖6可知，巷道頂底板及兩幫變形量隨著距工作面距離的減小而逐漸增大，隨著回采作業的進行，巷道與工作面的距離由150 m減小到-200 m時，頂底板移近量由20 mm增大到750 mm，在頂底板移近量中，頂板下沉量較小，在巷道滯后工作面-200 m的位置處，頂板下沉量達到最大值為37 mm；隨著工作面的回采作業，巷道兩幫的移近量也逐漸增大，在滯后工作面200 m的位置處，巷道兩幫的移近量達到最大值為630 mm，其中實體幫變形量為280 mm，煤柱幫的變形量為350 mm，據此可知，3202(上)工作面進行煤柱寬度優化和采用厚層軟弱頂板控制技術后，保障了頂板的穩定，有效解決了巷道圍巖變形量大的問題。