軟巖頂板巷道穩(wěn)定性影響及支護(hù)參數(shù)選取研究

牛春雨

（中煤平朔集團(tuán)井工一礦，山西 朔州 037200）

巷道支護(hù)作為礦井安全開(kāi)采的重要保障，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同類(lèi)型的巷道支護(hù)進(jìn)行了大量的研究并取得了重要的成果[1-5]。軟巖巷道支護(hù)作為國(guó)內(nèi)巷道支護(hù)的難題之一，隨著煤炭資源的大量采出，巷道斷面承受的強(qiáng)動(dòng)壓導(dǎo)致軟巖巷道的破壞程度進(jìn)一步增大。軟巖巷道圍巖相對(duì)于一般巷道強(qiáng)度低，遇礦井水后支護(hù)強(qiáng)度減弱，需多次支護(hù)、多次返修。本文以太西采區(qū)19107工作面輔助運(yùn)輸順槽為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估、室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究方法，對(duì)19107工作面輔助運(yùn)輸順槽泥巖頂板破壞機(jī)理及控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了長(zhǎng)錨索、強(qiáng)錨固、高預(yù)緊力下位直接頂強(qiáng)度強(qiáng)化支護(hù)方案，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并應(yīng)用于工程實(shí)際。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程地質(zhì)條件

19107工作面是太西采區(qū)9煤第二個(gè)工作面，上部為14107工作面采空區(qū)，北部與19106工作面相鄰，南部是未開(kāi)采區(qū)，東部是太西水倉(cāng)保護(hù)煤柱，西部為小窯破壞區(qū)。本工作面所掘煤層為9煤，經(jīng)鉆孔實(shí)際揭露，該煤層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。9煤平均厚度為11.58m，直接頂平均厚1.12m，主要巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖、高嶺石泥巖互層，局部含黃鐵礦結(jié)核；基本頂平均厚度為7.83m，主要巖性為泥巖與砂質(zhì)泥巖互層，下部含黃鐵礦；底板平均厚度為3.19m，主要巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r互層。工作面柱狀圖如圖1所示。

1.2 水文地質(zhì)概況

19107工作面直接充水含水層為4煤與9煤之間砂巖裂隙含水層，該含水層總體富水性弱，以靜儲(chǔ)量為主，水力聯(lián)系差，易于疏干。工作面上部為14107工作面采空區(qū)，受采動(dòng)影響，上部K3、K4等砂巖含水層通過(guò)冒落裂隙帶影響19107工作面，在普23孔向斜軸部易形成積水危險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)水文地質(zhì)補(bǔ)勘（二期）報(bào)告、地面瞬變電磁勘探報(bào)告及太西區(qū)充水條件評(píng)價(jià)及防治水對(duì)策研究報(bào)告提供資料，普23孔向斜軸部及三維地震勘探X5陷落柱區(qū)域?yàn)橹械雀凰惓^(qū)，三維地震勘探X7陷落柱區(qū)域?yàn)槿醺凰?不富水異常區(qū)，但可能導(dǎo)通上部及下部含水層，為富水較危險(xiǎn)區(qū)。

圖1 工作面柱狀圖

1.3 影響巷道穩(wěn)定性因素

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)科研工作者的理論分析研究及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，影響19107輔助運(yùn)輸順槽巷道穩(wěn)定性因素主要有地質(zhì)構(gòu)造、覆巖頂板巖性、水文地質(zhì)條件。

（1）地質(zhì)構(gòu)造。19107輔助運(yùn)輸順槽在開(kāi)采過(guò)程中，將會(huì)揭露5條斷層。最大落差的斷層為DF35斷層，落差高度為14m，傾角為70°；最小落差為DF34斷層，落差高度為2m，傾角為40°。

（2）覆巖頂板巖性。根據(jù)鉆孔資料可知，19107工作面頂板巖性主要為泥巖，部分層位有中砂巖。因此，工作面頂板屬于軟巖頂板。

（3）水文地質(zhì)條件。根據(jù)1.2節(jié)分析可知，19107頂板淋水水源主要有14107采空區(qū)積水以及K3、K4等砂巖含水層。而19107頂板巖性主要為泥巖，泥巖遇水泥化，最終導(dǎo)致支護(hù)強(qiáng)度減弱，影響巷道穩(wěn)定性。

2 直接頂泥巖親水崩解及膨脹性試驗(yàn)研究

根據(jù)影響19107工作面巷道穩(wěn)定性因素可知，巷道穩(wěn)定性主要受頂板泥巖遇水軟化崩解降低強(qiáng)度。因此，為了進(jìn)一步從宏觀上判斷19107巷道頂板巖層遇水后耐崩解程度，現(xiàn)場(chǎng)提取了煤層頂板巖性，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了浸水崩解性及膨脹率試驗(yàn)。直接頂泥巖水化崩解3d、7d、15d的崩解圖如圖2所示。

圖2 直接頂泥巖巖樣水崩解圖

從圖2可知，在自然狀態(tài)下，頂板泥巖3d開(kāi)始出現(xiàn)崩解，隨著時(shí)間延長(zhǎng)崩解程度加大，逐步形成片狀，當(dāng)?shù)?5d后崩解基本成片狀。巖樣自由膨脹率可大致分為2個(gè)階段：第一個(gè)階段為快速增加階段，膨脹率快速增加（2h以?xún)?nèi)）；第二個(gè)階段為緩慢增加階段，達(dá)到最大值8.5%。巖樣在吸水過(guò)程中明顯經(jīng)歷了快速吸水、緩慢吸水、飽和吸水三個(gè)階段，與此階段對(duì)應(yīng)表層快速軟化、內(nèi)部緩慢軟化、整體軟化三個(gè)階段。因此，19107巷道支護(hù)中要時(shí)刻注意淋水對(duì)圍巖強(qiáng)度的巨大影響。

3 巷道圍巖支護(hù)參數(shù)確定

根據(jù)19107工程水文地質(zhì)條件以及工作面頂板泥巖親水崩解及膨脹性試驗(yàn)結(jié)果分析，提出了長(zhǎng)錨索、強(qiáng)錨固、高預(yù)緊力下位直接頂強(qiáng)度強(qiáng)化支護(hù)方案，選擇了左旋無(wú)縱筋等強(qiáng)錨桿、高預(yù)應(yīng)力錨索。具體參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果如下。

3.1 錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)

3.1.1 錨桿、錨索規(guī)格

（1）頂錨桿采用MSGM-335、Ф22×2400mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿；幫錨桿分別采用MSGM-335、Ф22×2400mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿（上面兩排）和MSGM-235、Ф18×1700mm普通圓鋼錨桿（下面一排）。

（2）錨索采用Ф17.8×10300mm七芯鋼絞線(xiàn)。

（3）錨桿角度：頂部?jī)蛇叺腻^桿與垂直線(xiàn)成15°夾角，其他錨桿與巷道頂部輪廓線(xiàn)垂直布置，其最小角度不小于75°。

（4）頂錨桿托盤(pán)規(guī)格150×150×10mm；幫錨桿托盤(pán)規(guī)格分別為150×150×10mm和200×200×10mm；錨索托盤(pán)規(guī)格250×250×10mm。

（5）頂鋼帶規(guī)格為Ф12×4600mm的圓鋼鋼帶，幫鋼帶規(guī)格為Ф12×2500mm圓鋼鋼帶。

3.1.2 錨桿間、排距

頂錨桿間排距為900mm×900mm，每排布置6根，最外一根距幫350mm，每排錨桿安設(shè)鋼帶加強(qiáng)支護(hù)。幫錨桿間排距為1200m×900mm，每排布置6根，上面一根距頂400mm（即頂網(wǎng)與幫網(wǎng)的搭接處），下面一根距底700mm并壓住幫網(wǎng)，每排錨桿安設(shè)鋼帶加強(qiáng)支護(hù)。

3.1.3 錨索的布置

錨索每排布置2根，間排距為2000×2700mm。

3.1.4 錨網(wǎng)、鋼帶規(guī)格

（1）頂鋪Ф4×80mm的鋼板金屬菱形網(wǎng)，規(guī)格為3000mm×1100mm；幫鋪兩片Ф4×80mm的點(diǎn)焊經(jīng)緯網(wǎng)，規(guī)格為3000mm×1400mm。

（2）鋪聯(lián)網(wǎng)需緊貼壁面，聯(lián)網(wǎng)牢固，扣距≤100mm，壓茬一個(gè)網(wǎng)格，充分展開(kāi)，用14#雙股鐵絲扎牢。頂網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)鐵絲頭要以中線(xiàn)激光為準(zhǔn)分別朝向兩邊，幫部的聯(lián)網(wǎng)鐵絲頭要全部朝下。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為驗(yàn)證分析19107工作面巷道支護(hù)情況，采用十點(diǎn)監(jiān)測(cè)法在19107輔助運(yùn)輸順槽進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：兩幫受回采支撐壓力影響較大，移近量約為0.3m，頂板中央的最大下沉量約為0.42m；采取措施后雖仍有變化，但巷道圍巖完整性較好，不會(huì)影響運(yùn)輸及工作面回采。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)照如圖3所示。

4 結(jié)論

（1）對(duì)影響巷道穩(wěn)定性因素進(jìn)行了分析，總結(jié)發(fā)現(xiàn)造成巷道圍巖變形破壞的原因主要是頂板泥巖遇水軟化崩解和地質(zhì)構(gòu)造兩方面因素。

（2）根據(jù)對(duì)19107工程水文地質(zhì)條件以及工作面頂板泥巖親水崩解及膨脹性試驗(yàn)結(jié)果分析，提出了長(zhǎng)錨索、強(qiáng)錨固、高預(yù)緊力下位直接頂強(qiáng)度強(qiáng)化支護(hù)方案，有效控制了輔助運(yùn)輸巷道圍巖表面變形，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要，確保礦井安全高效生產(chǎn)。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)巷道支護(hù)實(shí)物圖