伏巖煤業3206工作面厚層軟弱頂板巷道圍巖控制技術

張小健

(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

山西陽城陽泰集團伏巖煤業3206上分層工作面位于二采區，開采3號煤層，西為中央大巷，東接礦界保安煤柱，北、南為實體煤?；仫L巷沿3號煤層頂板掘進，掘進寬度×高度=5.0 m×4.0 m，3號煤層均厚為6.5 m，煤層傾角為1～6°，煤層普氏系數為1.3，層狀構造，煤層較松軟，含1～3層夾矸，煤層直接頂為粉砂質泥巖，均厚為13.55 m，屬于厚層軟弱頂板，為充分保障3206上分層工作面回風巷道的穩定，需要對圍巖控制技術進行研究。

2 圍巖裂隙發育規律分析

為分析3206上分層工作面回風巷圍巖的變形規律，采用UDEC數值模擬軟件，結合巷道的地質條件，建立長×高=60 m×60 m的數值模型，模型上部邊界施加上覆巖層的載荷，底邊和側邊固定位移，各巖層采用 Voronoi 多邊形節理生成器進行節理裂隙劃分，具體分析厚層軟弱頂板條件下圍巖裂隙及塑性區發育特征。

2.1 圍巖裂隙發育規律

根據數值模擬結果，得出巷道在計算200步、300步、400步、500步、1 000步、1 500步時，巷道圍巖裂隙的發育規律，如圖1所示。

由圖1可知，在運算步數為200步時，此時頂板區域的裂隙發展高度為3 m，在運行到400步時，頂板裂隙進一步發育擴展，此時裂隙的發育高度達到4 m，隨著數值模擬的運行程序的進行，當運算步數超過400步時，隨著運算步數的不斷增大，頂板裂隙的發育逐漸趨于穩定，裂隙高度發育隨著運算增長的幅度逐漸降低，最終當數值模擬進行到1 500步時，巷道頂板的裂隙發育高度約為5 m。

圖1 不同計算步數下圍巖裂隙發育規律

2.2 圍巖塑性區發育規律

根據數值模擬結果，不同計算步數下巷道圍巖塑性區的發育規律如圖2所示。

圖2 不同運算步數下圍巖塑性區發育規律

由圖2可知，隨著運算步數的逐漸增大，巷道圍巖塑性區的發育范圍逐漸擴大，在運算步數達到400步時，此時巷道圍巖基本均表現為受拉破壞，受拉破壞占到圍巖塑性區破壞單元的88.1%，圍巖出現塑性屈服單元數目達到屈服總數的82%，同時在數值模型運算完成后，頂板塑性區的發育高度基本為3.2 m。

3 圍巖控制技術

3.1 圍巖控制對策

根據3206厚層軟弱頂板工作面的具體地質條件，結合數值模擬結果，確定針對厚層軟弱頂板的圍巖控制技術。

1) 頂板采用高密度長錨索加強支護。由于巷道頂板為粉砂質泥巖，該種巖石容易出現風化現象，同時由于該種巖石具有碎脹系數較大的特征，在掘進期間巷道易出現離層冒落的現象。為保障頂板巖層的穩定，應進行頂板承載能力的強化作業，同時增大錨桿索支護的錨固區域范圍，進而有效提升加固區域的厚度，另外在提升錨桿索加固區域厚度的同時，應提升錨固體的剛度和強度，提升巷道支護方案對巷道的護表強度，進而防止頂板軟弱巖層出現煤巖體冒落的現象[1-2]。

2) 幫角加強錨桿。3206上分層工作面回風巷為矩形斷面，巷道進行開挖作業后，在幫角的區域易出現應力集中現象，根據眾多工程實踐表明，在軟弱圍巖巷道內，幫角錨桿的受力較大，易出現錨尾破壞，主要原因為煤體的內移擠壓對錨桿托盤產生偏心荷載。通過在幫角布置加強錨桿，不與鋼筋梯子梁或鋼帶相連接，此時幫角處的單體錨桿能夠在較大程度上減小錨尾下側所受的拉力，進而在較大程度上減少錨尾破壞現象的出現[3-4]。

3) 幫部采用短錨索進行支護。由于3號煤層較為松軟，巷道幫部圍巖的松動圈范圍較大，僅僅采用錨桿支護，不能將錨桿有效地錨固在幫部未塑性破壞的圍巖內，為對巷道兩幫的破碎煤體進行有效控制，采用短錨索進行支護，以提高巷道幫部的支護強度，進而控制住巷道圍巖在初期的松動破壞范圍[5]。

3.2 支護參數設計

1) 頂板支護。錨桿采用D22 mm×2 500 mm的螺紋鋼錨桿，端頭錨固，每根錨桿采用一支K2335樹脂錨固劑和一支Z2360樹脂錨固劑，間排距為880 mm×800 mm，預緊力矩為300 N·m；錨索采用D21.8 mm×7 300 mm的1×19股鋼絞線，間排距為1 200 mm×800 mm，采用1支K2335樹脂錨固劑和2支Z2360樹脂錨固劑，預緊力為200 kN，同時將垂直于頂板打設的錨桿通過鋼筋梯子梁進行連接，采用10號金屬網進行護頂作業。

2) 幫部支護。錨桿型號、錨固方式均與頂板相同，間排距為800 mm×800 mm，預緊力矩為300 N·m；短錨索采用D21.8 mm×5 000 mm的鋼絞線，采用1卷K2335和2卷Z2360樹脂藥卷，預緊力為150 kN，間排距為1 500 mm×800 mm，同樣采用鋼筋梯子梁將垂直于巷道幫部圍巖的錨桿索進行連接。

具體巷道支護方式及參數如圖3所示。

圖3 巷道支護斷面(mm)

3.3 效果分析

為驗證巷道掘進期間圍巖控制效果，在滯后掘進工作面50 m的位置布置巷道表面位移監測站，采用“十字交叉法”進行巷道頂底板移近量和兩幫變形量的持續觀測，觀測時間持續70 d，觀測結果如圖4所示。

圖4 巷道圍巖變形曲線

由圖4可知，巷道頂底板相對移近量和兩幫相對移近量均隨著觀測時間的增大而出現逐漸增大的現象，在掘進后15～20 d的時間內，為掘進擾動劇烈影響期，其中兩幫及頂底板移近量的平均變形速率均在5～6 mm/d，當巷道掘出20～40 d期間，為掘進擾動影響緩和期，此時兩幫及頂底板移近量變形速率降低為1～1.5 mm/d，當巷道掘出40 d后，圍巖變形量基本達到穩定狀態，最終頂底板相對移近量和兩幫移近量的最大值分別為142 mm和133 mm。

4 結 語

針對伏巖煤業3206上分層工作面回風巷厚層軟弱頂板的具體特征，基于數值模擬分析了圍巖裂隙與塑性區的發育規律，確定巷道圍巖的控制對策為頂板采用高密度長錨索+幫部采用短錨索+加強幫角支護，根據礦壓監測結果可知，圍巖控制效果良好。