正益煤業11-102運輸巷圍巖穩定性控制技術研究

李建平

（山西焦煤集團介休正益煤業有限公司，山西 晉中 032099）

1 工程概況

正益煤業11-102工作面，主采11#煤層，地面標高+1220.6～+1266.1，井下標高+1007～+1055m。煤層厚度2.6～3.0m，平均為2.8m，煤層賦存穩定，煤層傾角7°～15°，平均傾角10°。工作面運輸巷斷面形狀為3.8m×2.7m的矩形，巷道總長度為426m。11號煤層基本頂為砂質泥巖，均厚2.55m；直接頂為泥巖細砂巖互層，均厚0.82m；直接底為石灰巖，均厚0.4m；基本底為泥巖，均厚2.35m，煤層頂底板巖層具體情況如表1所示。巷道原錨索桿支護強度不足，巷道頂板拉裂、離層，煤幫鼓出、塌落，巷道破壞情況如圖1所示，急需采取有效措施提高圍巖穩定性。

表1 頂底板巖層性質

圖1 巷道破壞情況

2 巷道圍巖穩定性分析

2.1 巷道圍巖變形規律

圖2 礦壓監測結果

通過在運輸巷布置一處礦壓監測站，得到了初期支護后20d圍巖基本變形規律如圖2所示。由圖2（a）、圖2（b）可知，運輸巷在原支護下頂板和兩幫的變形量具有明顯的時效性，隨時間呈現逐漸增加的趨勢，并在20d左右趨于穩定。其中，兩幫移進量達到117mm，頂板下沉量達到180mm，巷道在原支護下不能滿足安全生產要求。

2.2 巷道頂板穩定性分析

11-102運輸巷直接頂為泥巖細砂巖互層，巷道上覆巖層平均容重為γ=25kN/m3，將直接頂視為兩層獨立的巖梁[1]。上層為厚度為h1=0.42m的細砂巖，泊松比ν1=0.22，彈性模量為E1=2.4×103MPa，對于上層直接頂有：

下層為厚度h2=0.4m的泥巖，泊松比ν2=0.12，彈性模量為E2=3.2×103MPa，下層直接頂有：

由于直接頂為上下兩層巖體構成，我們可以通過錨桿（索）將兩層巖體加固成組合梁結構，加固后直接頂的彈性模量和泊松比會顯著提高：

組合梁結構：

由上式可知，11-102運輸巷在加固前存在頂板離層現象，通過錨桿（索）加固后，直接頂形成組合梁結構，可以大大的提高頂板巖層的穩定性[2]。但是在原支護下，錨索長度不足，錨索不能發揮承載能力，難以將直接頂形成組合梁結構，巷道頂板出現拉裂、離層的情況。選用長度較長的錨索可以頂板的穩定性可以得到保障，但是同時也需要考慮節省材料。由于直接頂為泥巖細砂巖互層，錨索應將整個直接頂固定為一個整體，再將軟弱巖層錨固在上部穩定巖層上，共同承受巷道上部壓力。

2.3 巷道幫部穩定性分析

已知巷道高度為h=2.7m，設頂板與幫部的摩擦角φ0=18°，粘聚力c0=0.3MPa，上覆巖層平均容重γ=26kN/m3，應力集中系數k=2，煤體與頂板界面的切向剛度系數β=0.14，支護反力P=31.3MPa，得幫部極限平衡區寬度為[3]：

幫部破裂區寬度為：

幫部塑性區寬度為：

由上式可知，11-102運輸巷幫部幫部極限平衡區寬度為4.0m，幫部破裂區寬度為1.92m，幫部塑性區寬度為2.08m。可以確定巷幫需要加固深度至少為1.92m，錨桿對破裂區整個區域進行加固，經過破裂區后前端進入塑性區，使破壞區與塑性區形成一個整體，來共同承受幫部壓力，抵抗圍巖變形[4]。

3 圍巖控制效果分析

3.1 支護方案設計

根據對巷道圍巖變形規律及穩定性分析，為防止巷道圍巖劇烈變形，應制定相應的圍巖支護方案。根據11-102工作面運輸巷的具體情況，再結合巷道圍巖穩定性分析，對巷道圍巖支護方案進行具體設計：①巷道頂板錨桿規格為Φ20mm×L2000mm，每排5根，間排距為850×800mm，兩端錨桿與水平方向呈75°夾角，并鋪設800×800mm的鋼筋網，網孔為50×50mm；②巷道頂板單體錨索選用Φ17.8mm×L7000mm的高預應力錨索，錨索拉力不低于30MPa，錨索排間距為2400×1600mm，每排兩根；③由2.3節可知巷道幫部錨桿至少為1.92m，因此巷道兩幫選用規格為Φ20mm×L2000mm的錨桿，錨固力不低于80kN，間排距為850×800mm，兩幫各3根，上、下兩端錨桿與水平方向夾角為15°錨索托板采用300mm×300mm×16mm的鼓形鐵托板，并鋪設800×800mm的鋼筋網，網孔為50×50mm。

3.2 圍巖控制效果分析

為了檢驗巷道圍巖支護效果，優化錨桿設計方案，在試驗段巷道每隔5m布置一個礦壓監測站，對11-102工作面圍巖表面變形量持續監測直至數據基本穩定，礦壓監測結果如圖4所示。

對巷道圍巖位移量進行了40d的監測，巷道圍巖隨時間變形趨勢基本相同，在30d后頂板累計下沉量穩定在30mm，累計底臌量達到39mm，兩幫移進量累計達到24mm。可以看出，巷道圍巖的變形破壞程度得到了明顯改善。

圖3 巷道圍巖礦壓監測結果

同時，在試驗段圍巖布置鉆孔并安裝多點位移計，對圍巖不同深度位移量進行監測，得到巷道頂板的礦壓監測結果如圖5所示，巷道幫部圍巖的礦壓監測結果如圖6所示，巷道底板的的礦壓監測結果如圖7所示。

圖4 巷道頂板深部位移曲線

圖5 巷道幫部深部位移曲線

圖6 巷道底板深部位移曲線

由圖5可得，在支護后的10d內，頂板下沉量不斷增加，在50d時頂板各深度位移量基本穩定，深度為 1.2m、1.6m、2.0m、2.5m、3.0m、6.0m 處頂板下沉量分別為 14.9mm、22mm、27.1mm、31.7mm、35.9mm 及39.7mm，隨著頂板深度的不斷增加，相對圍巖變形位移量逐漸減少，也就是說越淺的位置所受到擾動越大，圍巖變形量越大[5]，最大變形量發生在0～1.2m內，變形量達到14.9mm，占總變形位移量的38%，頂板變形得到有效控制。

由圖6可知，在支護后的15d內，兩幫移進量不斷增加，之后在50d時幫部各深度位移量基本穩定，深度為0.8m、1.2m、1.6m、2.0m處兩幫移進量分別為12.2mm、15.7mm、18.2mm及19.8mm，最大變形量發生在0～0.8m內，變形量達到12.2mm，占總變形位移量的62%，表明在幫部錨桿作用下，幫部圍巖的位移變形穩定在較小的范圍內。

由圖7可得，在支護后的25d內，底臌量不斷增加，之后在50d時底板各深度位移量基本穩定，深度為 1.2m、1.6m、2.0m、2.5m、3.0m、6.0m 處底臌量分別為 13.4mm、20.4mm、26.7mm、31.5mm、34.5mm 及37.2mm，最大變形量發生在0～1.2m內，變形量達到13.4mm，占總變形位移量的45%，現支護對巷道底臌起到了積極作用。

4 結 論

針對正益煤業11-102運輸巷的具體情況，通過對巷道圍巖變形規律及穩定性分析，提出了針對11-102工作面運輸巷道的支護方案，并結合工作面實際情況對圍巖控制措施進行了具體設計。根據礦壓監測結果可知，在現有支護方式下，巷道頂板累計下沉量為30mm，底臌量為39mm，兩幫移進量為24mm，且圍巖深部位移穩定在較小范圍內，可知該種支護手段極大地改善了圍巖穩定性，滿足了安全生產要求。