煌斑巖侵入下巷道支護技術研究

劉振華

（晉能控股煤業集團同發東周窯煤業有限公司，山西 大同037100）

0 引 言

巖漿是一種高溫熾熱的粘稠狀硅酸鹽熔融體，熾熱巖漿侵入地殼一定深度后緩慢冷卻形成的巖石稱為多為煌斑巖。煤層被巖漿侵入后，原煤在高溫烘烤和侵蝕的作用下，其物理化學性質發生變化，形成含有煌斑巖、混煤和硅化煤等混合成分的復雜結構。

在全煤巷道中，受煌斑巖侵入影響，頂板裂隙發育，強度低且易破碎，導致錨桿（索）的錨固能力差，容易誘發冒頂等安全事故。本文以同發東周窯煤業受煌斑巖侵入的5100 回風順槽為工程背景，通過室內力學實驗得到了現場煤巖體的物理力學參數，并結合對現場巷道圍巖變形破壞特征的分析，針對性提出了支護優化方案，有效控制了巷道的變形，為類似工程條件提供了參考。

1 工程概況

同發東周窯煤業5100 回風順槽布置在4 號煤層，根據鄰近鉆孔資料及掘進巷道揭露，山4 號煤層厚度為2.67～8.58 m，平均6.09 m。煤層結構復雜，受煌斑巖侵入的影響，含夾矸1～5 層，夾矸最大厚度1.93 m，最小厚度0.23 m，巖性多為砂質泥巖、炭質泥巖，次為粘土質泥巖、泥巖。煤層傾角1°～4°，平均2.5°。

在掘進過程中，5100 回風順槽受煌斑巖侵入段圍巖變形嚴重，甚至出現錨桿（索）斷裂的現象，極易發生冒頂事故，對礦井安全生產造成了嚴重影響。經分析，錨桿斷裂位置大多位于錨桿中下部，錨索斷裂位置多位于桿尾鎖具及讓壓環位置，錨桿破斷存在拉伸破斷、剪切破斷兩種情況，錨索主要表現為剪切破斷。為保證巷道的穩定性，需對支護方案進行優化設計。

2 巷道圍巖變性破壞特征

煌斑巖侵入煤層主要有3 種形態，分別為局部煌斑巖侵入、單層煌斑巖侵入及多層煌斑巖侵入，其中單層煌斑巖侵入為東周窯煤業的主要侵入方式。單層煌斑巖侵入后，在煤層傾角較小時，侵入層會沿層面展開，在頂板上方形成一個軟弱夾層，將原本完整的煤層水平分離。巷道開挖后，受采動影響，侵入層下的淺部煤層很容易與上部巖體分離而垮落，頂板承載能力降低，若不及時控制，極易出現由下而上的逐層垮落破壞現象，這也是導致5100 回風順槽錨桿（索）破斷的主要原因，其破壞模式如圖1 所示。

圖1 單層煌斑巖侵入下巷道破壞模式

為獲得煌斑巖侵入范圍內外煤巖體的真實力學強度，現場挑選大塊煤巖體，在室內加工成標準巖石力學試件，并進行單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，測試結果見表1。

表1 煤巖體物理力學實驗結果

根據表1 可知，在煌斑巖侵入的影響下，原煤硅化易碎，較侵入前的原煤體，彈性模量下降了73.7%，抗拉強度下降了33.3%，粘聚力下降了54.2%，內摩擦角下降了29.0%，泊松比變化量不大。由此可見，受高溫烘烤、侵蝕影響，煤體燃燒變質，內部裂隙發育程度大幅增加，煤體強度也隨之大幅度降低從而變得破碎松軟，在采掘應力擾動的作用下，煌斑巖侵入段巷道圍巖的變形量將不斷增大。

3 巷道穩定性控制技術研究

3.1 錨桿長度的確定

通過對現場巷道圍巖冒落情況的觀察發現，有部分錨桿存在脫落現象，說明由于圍巖破碎，錨桿的錨固段位于冒落高度范圍內，或錨固段部分位于冒頂高度內。錨桿的錨固段深度不足，未能完全錨固在具有承載能力的圍巖結構內，致使錨桿無法控制頂板淺部離層，并逐漸超出了錨索的承載能力，頂板沿層移動并冒落，因此出現了錨桿的拉伸破斷、剪切破斷及錨索的剪切破斷現象。

為確定出合理的錨桿長度，采用有限元數值模擬軟件ANSYS，根據4 號煤層實際的頂底板柱狀圖建立了計算模型，將由實驗得出的煤巖體物理力學參數帶入到模型中，經模擬計算得出圍巖摩爾庫倫安全系數S，如圖2 所示。

圖2 5100 回風順槽圍巖穩定性分區

根據模擬結果及摩爾庫倫安全系數，對巷道圍巖的穩定性進行了分區，分別為破碎區、穩定區及安全穩定區。

1）A、B、C 區為破碎區，其安全系數S≤1.0，根據模擬結果，巷道周圍出現了破碎圈，破碎的最大深度為1.3m 左右。

2）D 區為穩定區，其安全系數S 在1.0 和1.2 之間，雖然屬于穩定圈，但隨著時間推移，仍會發生變形，長期穩定性較差，此區域的最大深度為1.7m 左右。

3）E 區為安全穩定區，安全系數S 大于1.2，該區域及區域外的圍巖長期穩定性較好，且強度較高。因此為了使錨桿能夠錨固在穩固巖層中，錨桿的長度應在2 000 mm 至2 200 mm 之間，并保證穩固在穩定巖層中的錨固段長度不低于700 mm。

通過上述分析，為確保錨桿錨固段全部錨固在穩定巖層中，錨桿長度確定為2 400 mm。

3.2 錨桿預緊力的確定

錨桿的預緊力是控制頂板早期變形的關鍵作用力，可以壓實破碎區的浮煤及矸石，減小頂板拉應力來控制離層現象的發生。在模擬中錨桿長度設為2 200 mm，錨桿間排距設為900 mm×920 mm，對比分析不同預緊力下頂板的穩定狀態，以此確定出合理的錨桿預緊力。

1）錨桿預緊力為10～20 kN 時，巷道頂板的拉應力分布范圍較大，在頂板上方0.7～1.5 m 范圍內有幾處離層現象出現。

2）錨桿預緊力為20～30 kN 時，拉應力范圍減小，多處離層區域閉合，但在1.5 m 深處的頂板仍然有離層發生。

3）錨桿預緊力為30～60 kN 時，拉應力范圍進一步縮小，頂板上方的所有離層都逐漸閉合，且頂板狀態穩定。

通過上述模擬結果得出錨桿的最小預緊力為60 kN，考慮到現場實際情況復雜，確定錨桿的預緊力為100 kN。

3.3 支護方案設計

支護采用“強力錨桿錨索+JM梁組合支護系統”聯合支護。錨桿（索）均采用高強度預應力材料，頂、幫錨桿采用500#/22mm，L=2 400 mm，頂錨桿排間距900 mm×920 mm，共布置6 根錨桿，靠近巷幫的錨桿與水平線成75°夾角，頂板W 型鋼帶規格為：4 900 mm×280×4 mm；幫錨桿排間距900 mm×900 mm；幫錨桿的間排距為900 mm×920 mm，采用橫縱向雙向加強鋼護板，規格為450 mm×280 mm×4 mm；錨索采用'鳥窩'錨索，直徑為21.8mm，L=7 300 mm，錨索梁規格為4800 mm×330 mm×6 mm，配套200 mm×220 mm×12 mm 鋼托盤，一梁四索，眼距1 400 mm，排距1 800 mm。支護方案如圖3 所示。

圖3 巷道支護方案

本支護設計采用的“鳥窩”錨索，其結構如圖4所示。

圖4 '鳥窩'錨索示意圖

與普通錨索相比，'鳥窩'錨索具有以下幾個特點：

1）其索頭裝有保護套，可以防止錨索在運輸或安裝過程中出現散股的現象，便于施工。

2）錨索直徑設計時比鉆孔直徑要小1～2 mm，可以使得樹脂錨固劑在索體周圍均勻分布，減少樹脂消耗量的同時提供較大的錨固力。

3）圖4 中，錨索“鳥窩”部分為中空結構，在攪拌過程中，樹脂錨固劑進入' 鳥窩'，使得樹脂與錨索緊密結合，進而提高了錨索的抗拉強度。

4 支護效果分析

為準確獲得煌斑巖侵入段巷道的支護效果，采用多點位移測量對巷道變形進行檢測，每個測站按不同深度安裝4 個測點，分別為1.5、3.0、4.5 m 和6.0 m，頂板和做幫各安裝一套監測系統。監測結果如圖5 所示。

圖5 巷道圍巖變形監測曲線

由圖5 可知，從巷道開挖到圍巖變形趨于穩定，巷道煤幫的最大變形量為43.8 mm，頂板的最大變形量為63.7 mm，采用新支護方案后，巷道圍巖的變形情況得到了控制，支護效果良好。

5 結 論

煌斑巖侵入使得煤體的物理化學性質發生了質的變化，強度大幅度降低，對巷道安全生產造成了影響。通過對侵入段巷道圍巖煤巖體進行巖石力學實驗，分析了巷道圍巖的變性破壞特征，同時通過數值模擬得出了合理的錨桿支護長度和預緊力，結合現場實際確定出煌斑巖侵入段巷道支護方案。現場監測結果表明，設計的支護方案大幅度降低了巷道圍巖的變形，巷道整體穩定性良好。