厚軟弱頂板巖層巷道圍巖控制技術(shù)研究與應用

劉小軍

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

以井工開采為主的煤礦，需要掘進大量的地下巷道，保證巷道在服務期內(nèi)的穩(wěn)定直接關(guān)系到煤礦的安全高效開采［1-2］。當巷道掘進揭露賦存較厚、巖性軟弱的頂板巖層，采用普通的錨網(wǎng)索支護時，錨桿錨固在破碎圍巖區(qū)域；而由于厚軟弱頂板巖層使錨索無法錨固至基本頂穩(wěn)定巖層，易出現(xiàn)頂板整體性下沉現(xiàn)象，從而誘發(fā)巷道災變型失穩(wěn)［3-5］。為此，本文以新大地公司15303 工作面回風順槽掘進揭露8.18 m厚的黑色軟弱泥巖為工程背景，通過分析厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖變形破壞特征，提出采用高密度錨索進行頂板支護，使錨索形成的壓應力區(qū)相互疊加并在軟弱頂板巖層內(nèi)形成拱形承載結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖的穩(wěn)定控制。

1 工程概況

新大地公司15303 工作面回風順槽位于井田三采區(qū)，水平標高為+979～+1 036 m；東部為已采的15302 工作面，西部為設(shè)計未采的15304 工作面，北部為西翼采區(qū)大巷，南部與山西運通煤業(yè)有限公司（原九京煤礦及井玉溝煤礦）相鄰，巷道沿15#煤層頂板掘進。巷道揭露煤層賦存較穩(wěn)定，煤層厚度在5.00～5.80 m之間，平均煤厚5.52 m，結(jié)構(gòu)簡單，煤層節(jié)理較發(fā)育；直接頂為黑色泥巖，平均厚度8.18 m，性軟，斷口平坦狀，含植物根莖化石；基本頂為黑灰色細砂巖，平均厚度7.82 m，薄層狀，水平層理，粉粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，成份以砂質(zhì)為主；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.80 m，性脆，斷口參差狀，含豐富的植物化石。15303 工作面回風順槽設(shè)計斷面為矩形斷面，掘進寬度5.2 m，掘進高度4.2 m。

15302 工作面位于15303 工作面東部，其頂板賦存特征與15303 工作面類似，在15302 工作面回采巷道采用普通的錨網(wǎng)索支護，掘進過程中出現(xiàn)嚴重巷道變形現(xiàn)象，直接影響到工作面的安全高效開采，其變形破壞特征（見圖1）如下：

圖1 巷道變形破壞特征

1）巷道頂板出現(xiàn)大范圍下沉現(xiàn)象，頂板下沉量高達600～700 mm；鋼帶和金屬網(wǎng)扭曲、反轉(zhuǎn)嚴重，網(wǎng)兜現(xiàn)象明顯，局部出現(xiàn)頂板整體性下沉（錨桿錨固區(qū)域整個下沉），冒頂現(xiàn)象嚴重。

2）巷道兩幫頂角和底角位置出現(xiàn)嚴重的滑移現(xiàn)象和壓剪破壞，幫部局部區(qū)域整體外移，裂隙發(fā)育程度較高。

由于15302 工作面回采巷道掘進時期變形嚴重，影響了巷道掘進效率，造成了采掘接續(xù)緊張局面。因此，在類似條件下15303 工作面回風順槽掘進支護時，必須采取具有針對性的技術(shù)參數(shù)，已保證巷道掘進效率。

2 厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖控制技術(shù)

試驗巷道掘進揭露8.18 m厚的黑色軟弱泥巖，易出現(xiàn)頂板整體性下沉現(xiàn)象，巷道圍巖維護困難。基于此，經(jīng)多次分析研究后，針對性地開發(fā)了厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖控制技術(shù)。該技術(shù)采用高密度錨索進行頂板支護，使錨索形成的壓應力區(qū)相互疊加并在軟弱頂板巖層內(nèi)形成拱形承載結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖的穩(wěn)定控制。

其支護參數(shù)如下：

1）頂板采用高密度錨索+W鋼帶+ 經(jīng)緯網(wǎng)聯(lián)合支護。具體支護形式為：頂部每排布置5 根錨索，錨索布置于鋼帶上，間距1 200 mm，排距為1 000 mm；經(jīng)緯網(wǎng)選用6 000 mm×1 100 mm的經(jīng)緯網(wǎng)，長邊垂直掘進方向鋪設(shè)；W鋼帶選用5 000 mm×280 mm×4 mm（長×寬×厚）；頂錨索選用Ф21.6 mm×7 200 mm鋼絞線，垂直于頂板支護，錨索配套選用300 mm×270 mm×12 mm可調(diào)心拱形高強托板，錨固劑選用2 支MSCK Ф 23 mm/1 200 mm型；張拉預緊力不小于300 kN，使用YCD-22-370 型號張拉千斤頂，壓力表讀數(shù)為50.9 MPa為合格。具體錨桿索布置和支護參數(shù)見圖2。

2）幫部采用錨桿+ 錨索+ 經(jīng)緯網(wǎng)支護。具體支護形式為：每排每幫布置4 根錨桿，布置2 根幫錨索，最上排錨桿距頂為400 mm，錨桿間距為1 000 mm，最下排錨桿距底板為800 mm，排距1 000 mm，錨索間距2 000 mm，排距為1 000 mm；錨桿垂直巷幫支護，幫錨桿選用鋼號335、規(guī)格Ф20 mm×2 200 mm的高強錨桿，錨桿配套選用120 mm×120 mm×10 mm可調(diào)心拱形高強托板，錨桿錨固劑選用2 支MSCK Ф23 mm/600 mm型，錨桿預緊扭矩不低于300 N·m；幫錨索選用Ф17.8 mm×4 200 mm 鋼絞線，錨索配套選用300 mm×270 mm×12 mm可調(diào)心拱形高強托板，錨索錨固劑選用1 支MSCK Ф23 mm/1 200 mm型；錨索張拉預緊力不小于230 kN，使用YCD-22-370 型號張拉千斤頂，壓力表讀數(shù)為40 MPa為合格；經(jīng)緯網(wǎng)選用6 000 mm×1 100 mm的經(jīng)緯網(wǎng)。錨桿索布置和支護參數(shù)見圖2。

圖2 巷道支護斷面

3 巷道圍巖控制效果

將開發(fā)的厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖控制技術(shù)應用于新大地公司15303 工作面回風順槽。技術(shù)應用后，現(xiàn)場監(jiān)測圍巖變形情況，圖3 中給出了試驗巷道掘進影響至穩(wěn)定時期的圍巖變形曲線圖。由圖可知：試驗巷道掘進影響時期大約110 d，該階段內(nèi)巷道產(chǎn)生較大變形；巷道掘出0～80 d內(nèi)巷道變形速度相對較快，該階段頂板、底板、實煤體幫、煤柱幫變形速度分別約1.4 mm、1.7 mm、1.1 mm、1.2 mm/d，累計變形量分別為114 mm、132 mm、88 mm、97 mm；巷道掘出80～110 d內(nèi)巷道變形速度相對較慢，該階段頂板、底板、實煤體幫、煤柱幫變形速度分別約0.4 mm、0.5 mm、0.3 mm、0.3 mm/d，累計變形量分別為11 mm、15 mm、9.9 mm；巷道掘出110d后試驗巷道處于穩(wěn)定時期，此時巷道頂板、底板、實煤體幫、煤柱幫累計變形量分別為126 mm、149 mm、97 mm、106 mm。綜上所述，巷道圍巖變形量均較小，但未對巷道底板進行支護，屬于薄弱區(qū)域，變形量相對較大。同時，現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，巷道頂板完整性較好，未出現(xiàn)大范圍的頂板下沉現(xiàn)象，證明了厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖控制技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。

圖3 試驗巷道變形曲線

4 結(jié)語

針對厚軟弱頂板巖層下巷道維護困難問題，以新大地公司15303 工作面回風順槽掘進揭露8.18 m厚的黑色軟弱泥巖為工程背景，分析了厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖變形破壞特征，設(shè)計了厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖控制技術(shù)。該技術(shù)采用高密度錨索進行頂板支護，使錨索形成的壓應力區(qū)相互疊加并在軟弱頂板巖層內(nèi)形成拱形承載結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)厚軟弱頂板巖層下巷道圍巖的穩(wěn)定控制。該技術(shù)應用后，有效解決了厚軟弱頂板巖層下巷道維護難題，實現(xiàn)了15303 工作面回風順槽的穩(wěn)定控制。