新景煤礦9114回風巷圍巖穩定性控制技術研究

張 斌

（山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

隨著煤炭資源的不斷開采，回采技術的不斷進步[1-2]，為了與工作面的高產高效相匹配，所布置的回采巷道斷面也在不斷擴大，同時巷道所處的地質條件也愈加的趨于復雜[3-4]，這對巷道圍巖穩定性的有效控制提出了更高要求[5]。

新景煤礦9114回風巷為大斷面巷道，所處地質條件較為復雜，出現了頂板下沉、大量錨桿（索）剪切破斷的現象，巷道圍巖控制效果較差。探究該巷道的失穩破壞原因，并對原支護方案進行相應優化，已成為急需解決的問題。

1 工程概況

9114回風巷服務于9114綜采工作面，該工作面埋深450 m，所采煤層為9號煤層，煤層厚度為5.2 m，煤層傾角為3°～14°，平均8°，內生裂隙較為發育。9114回風巷巷寬5.2 m，巷高3.5 m，沿9號煤層底板掘進，巷道設計總長為750 m，現已掘進至450 m處。該巷頂板共布置5根高強螺紋鋼錨桿，直徑為20 mm，長度為2 m，間排距為1000 mm×1000 mm；距巷道中心兩側1300 mm處分別布置一根Φ17.8 mm×6200 mm的低松弛高強錨索，排距為1000 mm；幫部則布置4根規格為Φ22 mm× 2000 mm的高強螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1000 mm。巷道斷面支護如圖1。9114回風巷頂板存在著一定的淋水現象，在原支護方案的支護下該巷大量錨桿、錨索嚴重失效，不能對巷道圍巖的穩定性起到較好的控制效果。

圖1 巷道斷面支護示意圖（m）

2 現場實測

2.1 圍巖力學參數測試

為了掌握9114回風巷頂底板圍巖的物理力學性質，在該巷中選取合適的位置進行鉆孔取芯，并在實驗室對所取巖芯的力學性質進行了測試，測試結果統計于表1之中。

表1 巷道圍巖物理力學參數

從表1中看出，9114回風巷的直接頂為泥巖，層厚度為1.8 m，抗拉強度、抗壓強度偏低，分別為1.35 MPa和19.2 MPa。直接頂上方有一層0.5 m厚的煤線，基本頂則為砂質泥巖和炭質泥巖，層厚分別為3.2 m和8.4 m，強度整體較高。

2.2 頂板圍巖窺視

為了進一步對巷道圍巖的破壞情況進行研究，在巷道中選取合適的位置布置窺視孔，圖2為窺視結果。

圖2 窺視結果圖

從圖中看出，頂板1.2 m和2.2 m深處圍巖較為破碎，6.7 m深處有兩條較長的縱向裂隙，7.2 m深處孔壁較為光滑，圍巖完整性較好。

2.3 巖石崩解實驗

9114回風巷頂板存在著一定的淋水現象，為了探究淋水對頂板圍巖穩定性的影響，對所取砂質泥巖以及泥巖的巖芯展開巖石崩解實驗。所得到的巖樣崩解過程曲線如圖3。

圖3 巖樣崩解過程曲線

從圖中曲線看出，在前四個小時內，巖樣的崩解率快速上升，隨著時間的推移，巖樣的崩解過程曲線逐漸趨于平緩。其中泥巖的崩解率較大，24 h后達到了56.7%，砂質泥巖的崩解率較小，24 h后為27.3%。

2.4 地應力測試

9114回風巷頂板多根錨桿錨索出現了剪切破壞以及拉斷的現象，為了探究巷道頂板的受力情況，在該巷選取合適的位置布置地應力測站，使用水壓致裂法對9114回風巷的地應力展開測試，測試結果見表2。

由表2可知，9114回風巷四個測站的側壓系數分別達到了1.47、1.43、1.4和1.38，側壓系數平均值則達到了1.42，該巷受水平應力較為明顯。

表2 地應力測試結果

3 數值模擬分析

依據9114回風巷的實際地質條件，建立FLAC3D數值模擬模型，對該巷圍巖的摩爾-庫倫安全系數分布狀況進行了數值模擬，模擬結果如圖4。

圖4 摩爾-庫倫安全系數分布圖（mm）

從圖中可以看出，距頂板2.4 m范圍內該巷的摩爾-庫倫安全系數偏小，圍巖較為破碎，當錨桿長度長于2.4 m時，錨桿錨固段才能位于較穩定的巖層之中，充分地發揮錨桿的懸吊組合作用。

4 巷道破壞原因分析

根據現場實測以及數值模擬結果，將9114回風巷圍巖穩定性較差的原因歸結為如下：

（1）9114回風巷存在著少量的淋水現象，而該巷的直接頂為泥巖，該巖層強度較低，遇水易崩解，兩幫則為較為松散的煤體。原支護方案的支護密度較低，所施加的預緊力較小，不能對巷道圍巖的穩定性形成較好的控制。

（2）該巷頂板水平應力顯現，而原支護方案中，錨桿、錨索直徑均較小，強度偏低，受較高水平應力影響，易發生剪切破壞。

（3）窺視結果及數值模擬結果均顯示頂板深處2.4 m范圍內圍巖較為破碎，而原支護方案中頂板錨桿的長度為2 m，錨固段沒有錨固在完整性較好的巖層中。

5 支護方案優化

依據巷道破壞原因，對原支護方案進行如下優化：

（1）在原方案的支護基礎上，將頂板錨桿的間排距縮減為1000 mm×800 mm，錨桿直徑加粗至22 mm，長度加長至2.5 m。錨索直徑則加粗至19.6 mm，長度加長至7.2 m。每排布置三根，其中巷中布置一根，距巷道中心兩側1300 mm處分別布置一根，間排距同樣縮減至100 mm×800 mm。

（2）兩幫錨桿直徑加粗至22 mm，長度加長至2.5 m，間排距改為900 mm×900 mm。

（3）在布置錨桿（索）的過程中，錨桿所施加的預緊力由原來的45 kN提高至60 kN，錨索的預緊力由原來的125 kN提高至150 kN。優化后的巷道斷面支護如圖5。

圖5 優化后的巷道斷面支護示意圖（m）

6 工程監測

9114回風巷采用優化方案支護后，在現場布置測點，對該巷的圍巖穩定性展開了為期一個月的現場監測，監測結果如圖6。

從圖中看出，巷道在原支護方案支護下頂底板收斂量、兩幫移近量分別達到了497 mm、285 mm，巷道圍巖變形較大。采用優化方案支護后，頂底板收斂量、兩幫移近量則分別降低至96 mm、64 mm，與優化前相比分別減少了80.7%、77.5%，巷道圍巖穩定性得到了顯著提高。

7 結論

（1）9114回風巷為大斷面巷道，頂板水平應力顯現，且2.4 m深處范圍內圍巖完整性較差，遇水易崩解，同時巷道的支護強度偏低，在上述因素的影響下巷道圍巖破壞嚴重。

（2）在優化方案的支護下，9114回風巷頂底板收斂量、兩幫移近量與優化前相比分別減少了80.7%、77.5%，巷道圍巖穩定性得到了顯著提高。