基于圍巖分類結果煤巷支護設計研究與應用

趙文生

（陽泉市燕龕煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045060）

1 工程概況

燕龕煤炭有限責任公司程莊煤礦現開采的15#煤層結構簡單～復雜，15#煤層頂底板巖性特征如圖1 所示。15310 工作面煤層厚度為6.5～8.65m，平均厚度為6.8m，為三采區北翼第五個工作面，埋藏深度304.6～376.8m。工作面東部為15308 設計工作面，西部為15312 設計工作面實體煤，南部為15#煤層主要大巷，北部為山西煤炭運銷集團盂縣恒泰皇后煤業有限公司，15310 工作面停掘位置距程莊煤礦礦界20m。采用綜合機械化放頂煤開采，回采巷道受到采動影響劇烈，為確保巷道服務期間圍巖的穩定性，以15310 進風順槽的掘進為背景展開研究。

2 15310 工作面巷道圍巖地質力學評估

2.1 水壓致裂地應力測量

為具體了解程莊煤礦15310 進風順槽圍巖地應力的特點，設計在15310 工作面臨近的15308 進風順槽進行水壓致裂地應力測量試驗。采用SYY-56型水壓致裂地應力測量儀實時記錄圍巖壓裂過程中的壓力隨時間的變化，根據測到的水力壓裂曲線分析得到圍巖的破裂壓力、重張壓力和瞬時關閉壓力[1-2]，通過相應的公式換算得到圍巖的最大、最小水平主應力和垂直應力，結合電子指南針北向與印模器基線夾角，計算得到測點各個應力的方向。本次測試測點布置在15308 工作面進風順槽150m 處，水壓致裂地應力測量結果如圖2 和表1 所示，壓裂鉆孔距離巷道底板1.1m，測試位置距孔口13.7m。

第一測點水力壓裂曲線經水壓致裂數據處理軟件分析計算得出：破裂壓力：Pb=10.61MPa；重張壓力：Pr=6.81MPa；瞬時關閉壓力：Ps=5.66MPa。

水壓致裂地應力測試段埋深約為370.2m，由此可計算出：最大水平主應力：σH=9.83MPa；最小水平主應力：σh=5.49MPa；垂直主應力：

σv=9.25MPa。

圖 1 15#煤層頂底板巖性特征

圖 2 測點最大水平主應力定向結果（北偏東40.0°）

表1 程莊煤礦水壓致裂地應力測量結果

2.2 圍巖強度測試

水壓致裂地應力測試結束后，在測試鉆孔內安裝WQCZ-56 型圍巖強度測試儀[3]，對巷幫深度10m 范圍內煤體的強度進行了原位測試，并在測點附近對頂板施工鉆孔，對頂板上方10m 范圍內巖體的原位強度進行測試。通過對于現場檢測數據的整理、換算，得到15308 進風順槽頂板和煤幫煤巖體的強度隨深度的變化規律如圖3 所示。

圖3（a）所示結果為巷道幫部煤體強度隨深度變化曲線，可以看出，巷幫淺部（0～2m）煤體強度較低，深度大于2m 后煤體的強度存在較小的波動，總體而言幫部煤體的強度平均約為12.55MPa。圖3（b）所示結果為巷道頂板煤巖體強度隨鉆孔深度的變化，可以看出，巷道上部首先為厚度約為4.0m的煤體，頂板煤體強度約為11.23MPa，上部各個巖層的平均強度已在圖中標注。從測試結果分析，15308 進風順槽150m 處頂板10m 范圍內與錨桿錨索支護直接相關的煤巖體巖性主要為預留頂煤、泥巖、石灰巖和砂質泥巖。根據以上研究結果表明，測點附近巷道圍巖內最大水平主應力為9.83MPa，最小水平主應力值為5.49MPa，垂直應力值為9.25MPa，按照相關地應力量級標準0～10MPa 為低應力區[4]，由此可知，15308 進風順槽圍巖的應力在量值上屬于低應力值區域。

圖 3 圍巖強度測試結果

3 圍巖穩定性分類及支護設計

15310 工作面進風巷掘進斷面尺寸寬5.0m，高3.3m，矩形斷面。15310 工作面進風順槽在15#煤層北回風大巷開口處至60m 處的范圍內，沿15#煤層頂板掘進，再以俯角7°掘進20m，改為沿15#煤層底板掘進，直至開切眼處。參考臨近的15308進風順槽地應力和圍巖強度測試的結果，并充分考慮掘進面平均留4m 頂煤這一現狀，對15310 工作面進風順槽圍巖進行了分類，分類結果為Ⅳ級，為不穩定圍巖。根據煤巷錨桿支護技術規范推薦的Ⅳ類巷道錨桿支護基本形式為：錨桿+W 鋼帶+網，或增加錨索+桁架+網。

15310 進風順槽掘進斷面尺寸為寬5.0m，高3.3m，設計其支護方式：W 鋼帶+錨桿+錨索+網。頂板支護：錨桿采用Ф22×2400mm 左旋螺紋鋼，材料為25#錳鋼，頂錨桿鉆孔深度2350mm，錨固劑為K2360 樹脂藥卷一支，間排距為1100mm×1000mm，最外側的錨桿距離巷幫300mm，每排五根錨桿，沿豎直方向施工，預緊扭矩不小于200N·m，錨桿采用10mm 厚的穹形托盤，頂板錨桿間采用W 型鋼帶連接，鋼帶型號為BHW-280-4-4700。頂板錨索規格為Ф21.6×7200mm，錨索鉆孔深度為7000mm，錨索間距為1600mm，排距為2000mm，采用“二二”布置，兩根錨索均垂直頂板施工，沿巷道中心線對稱布置，距離巷幫1700mm，錨固劑為K23120 樹脂藥卷和Z2360 樹脂藥卷各一支，錨索托盤采用厚14mm 的穹形托盤，預緊力不小于250kN。幫部支護：錨桿桿體采用規格為Ф18×2400mm 左旋螺紋鋼，錨桿間距為900mm，排距為1000mm，每排4 根錨桿均垂直巷幫施工，錨固劑采用K2360 樹脂藥卷一支，最上部錨桿距離巷道頂板300mm。金屬網：12#鐵絲編制的網孔為40mm 的菱形網，用14#鉛絲連接，每隔100mm 聯網兩道。15310 回風順槽掘進期間支護詳情如圖4 所示。

圖 4 15310 進風順槽支護詳情

4 應用效果分析

采用上述支護方案對15310 進風順槽進行掘進，在巷道掘進初期采用十字布點法對巷道表面的位移情況進行監測。共布置3 個測點，測點間距20m，共進行為期90d 的巷道表面位移監測，整理得到巷道表面位移曲線如圖5 所示。由圖可知，巷道成巷初期圍巖位移量不大，成巷10～30d 內，巷道表面位移增長速度最快，成巷約50d 后，巷道表面的位移量趨于穩定。三個測點中，1#測點頂板下沉量最大，最終穩定在75mm以下，2#測站兩幫移近量最大，最終穩定在150mm 以下。總體而言，掘進期間巷道表面位移量很小，圍巖穩定性良好，取得了良好的應用效果。

圖 5 礦壓監測結果

5 結論

通過對臨近15308 進風順槽進行水壓致裂地應力測量和圍巖強度測試獲知，圍巖內最大主應力為9.25MPa，幫部煤體強度平均值為12.55MPa，頂板預留頂煤強度平均值為11.23MPa。據此對15310 進風順槽圍巖進行了分類，分類結果為Ⅳ級，為不穩定圍巖。根據測試結果，設計了W 鋼帶+錨桿+錨索+金屬網支護方式，礦壓監測結果表明，頂板下沉量最終穩定在75mm 以下，兩幫移近量最終穩定在150mm 以下，取得了良好的圍巖效果。