經坊礦堅硬頂板下巷道破碎圍巖測試及支護設計

李斌勝

(山西省長治經坊煤業有限公司，山西 長治 047100)

隨著煤礦開采深度的不斷加大，巷道圍巖變形特征趨于復雜，地應力、構造應力增大，圍巖軟弱破碎導致支護困難[1-2]；因此深入剖析破碎巷道圍巖的結構及應力特征對巷道圍巖控制至關重要。本文結合經坊礦3號煤層圍巖地質條件，針對及對巷道圍巖進行圍巖地質力學測試，分析圍巖應力特征和變形破壞特征，并結合目前破碎圍巖巷道的控制措施[3-6]，提出了合理的支護方案。

1 工程概況

經坊礦位于山西省長治市上黨區西部，其3號煤層共有9個采區，3-邊角09工作面屬于七采區北翼，為向西傾斜的單斜構造，傾角約2～10°，煤層埋深220～300 m；工作面傾向長度為148.79 m，走向長度為1 315 m；受東呈村莊保護煤柱的影響，3-邊角09工作面可正常推進距離為793.24 m。工作面水文地質條件為中等，工作面最大涌水量180 m3/h，可安全開采。

2 巷道圍巖力學特征

為了了解巷道圍巖的物理力學特征，為巷道支護設計及應用提供必要的數據基礎，通過在經坊礦已掘巷道中布置兩個測站，采用電子鉆孔窺視儀、小孔徑水壓致裂地應力測量儀[7]和WQCZ-56型圍巖強度測試裝置來分別測試井下圍巖的基本結構特征及圍巖裂隙發育情況、地應力大小和方向、圍巖強度；測站的位置如圖1所示，第一測站位于7072巷道中，測站處巷道斷面呈矩形，錨網支護，測站鉆孔開孔處距離巷道底板高3 m，測站處埋深575.5 m。第二測站位于7071巷道中，巷道斷面矩形，錨網支護，測站鉆孔開孔處距離巷道底板高3 m，錨網支護，測站處埋深567.2 m。測站均為全煤巷道，兩測站所處位置受構造及采掘影響較小，適合進行原巖應力測量。

圖1 經坊礦圍巖地質力學測試測站位置示意

2.1 頂板巖層分布及結構觀測

第一測站鉆孔結構觀測：通過鉆孔觀測結果顯示頂板以上0～3.3 m為煤，黑色發亮，靠經孔口處煤體較破碎，鉆孔深處煤體裂隙較為發育；3.3～11.7 m主要為砂質泥巖，較為致密，完整性相對較好，11.5 m處有兩條明顯橫向裂隙；11.7～11.9 m為夾層煤，11.9～12.7 m為細砂巖，該段巖層裂隙比較發育；12.7～19.0 m為中砂巖，致密堅硬，其中13.2～14.0 m有兩處縱向裂隙；19.0～21.0 m為頁巖，巖層相互交錯，有泥巖夾層，該段孔壁完整。根據觀測結果，頂板以上13.5～14.7 m之間巖層為中砂巖，相對較為致密完整，該段適合進行地應力測試。

第二測站鉆孔結構觀測：鉆孔觀測結果顯示鉆孔內0～3.0 m為煤，黑色發亮，開孔處煤體破碎嚴重，深部煤層孔壁較為完整。3.0～14.9 m為砂質泥巖，在7.1 m和7.5 m為裂隙，9.8～10.2 m中間有三處小的劈裂狀裂隙，而且11.0 m和14.1 m有少量的泥巖夾層，巖層相對完整；14.9～15.1 m為夾層煤，黑色發亮。15.1～15.5 m之間裂隙發育，15.5～22.2 m之間為中砂巖，巖層呈灰白色，砂質膠結致密堅硬，完整性較好，只有17.9 m和20.5 m處有裂隙。根據觀測結果，在頂板以上17.5～18.6 m之間巖層相對較為完整，適合進行地應力測試。

2.2 地應力測試及計算

分別對每個測站的測量段進行壓裂，利用SYY-56型水壓致裂地應力測量儀測量每個測站的水力壓裂時呈曲線，再根據曲線通過軟件分析得到應力計算所需要的破裂壓力、重張壓力和瞬時關閉壓力。地應力的計算公式[8]如下：

σh=Ps-γwh

(1)

σv=γH

(2)

σH=3Ps-Pr-2γwh

(3)

式中：Pr為讀數儀上的重張壓力；Ps為讀數儀上的封閉壓力，MPa；P0為讀數儀上的靜水壓力，MPa；Pb為讀數儀上的破裂壓力，MPa；γw為水的容重，MN/m3；h為測站到讀數儀的垂直距離，m；γ為上覆巖層容重巖石；H為埋深。σh為最小水平主應力；σH為最大水平主應力；σv為垂直主應力。

計算得到：經坊煤業兩測站最大水平主應力為20.45 MPa、18.18 MPa，最小水平主應力為10.39 MPa、11.44 MPa，垂直應力為13.75 MPa、13.9 MPa；數據說明該區域屬中等偏高地應力值區域；應力場類型為σH>σv>σh型應力場，受構造影響較大，水平應力影響大。測站最大水平主應力方向分別為N3.9°E、N29.9°E，初步判斷該區域最大水平主應力方向大致為北東方向。在巷道支護設計中應當考慮應力量值、應力場類型和最大水平主應力方向與巷道軸線方向的夾角等因素。

2.3 圍巖強度測試

在地應力測試完后，利用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置對測點巷道煤巖體進行原位強度測試，測試結果如圖2所示。

從圖2可知：測站處3號煤煤體比較完整，煤體強度平均值約為10.29 MPa；第一測站頂板煤體強度平均值約為11.61 MPa，第二測站約為12.25 MPa；第一測站鉆孔3.3～10.0 m，巖層整體為砂質泥巖，其巖層探針觸點強度值明顯高于其他值，巖層強度平均值為56.32 MPa。第二測點3.0～10.0 m段，巖層強度平均值29.21 MPa。

圖2 圍巖強度測試圖

3 沿空留巷圍巖控制

3.1 巷道圍巖礦壓顯現特征支護設計原理

根據巷道圍巖的測試，表明巷道頂板巖層具有疊合板的結構特征，幫部煤體破裂，強度弱于頂底板巖層，且兩幫與頂底板間層理明顯，巷道頂板具有明顯的彎曲變形特征。破碎的煤幫易發生片幫、垮幫現象，在頂板巖層對兩幫頂角的擠壓作用下，其壓碎程度加劇，導致更為嚴重的礦壓顯現，從而導致兩幫對頂板的支撐作用失效，頂板巖層彎曲變形加劇，產生一種惡型循環。

本文研究對象為經坊礦七采區3-邊角092回風巷，頂板巖層一經暴露應當立即支護，加固圍巖，使支護體具有一定的初期剛度，以使頂板巖層處在彈塑性變形階段，避免流變及風化；兩幫支護除了要滿足頂板的控制要求外，還需具有可縮性，形成柔性支撐。

3.2 巷道支護設計方案設計

采用FLAC3D數值模擬軟件對回風巷的支護技術進行研究，根據巷道的圍巖變形特征制定了3個支護方案，見表1。

表1 數值模擬方案

由圖3中可知：巷道開挖后，在巷道兩幫形成支承壓力增高區，3種方案應力集中系數約為1.5，在巷道頂底板形成應力降低區。隨著支護強度的增加，支承壓力峰值向巷幫轉移，頂底板中應力降低區則明顯縮小，說明兩幫支護提高了兩幫圍巖的強度，使兩幫圍巖處于穩定狀態。可以看出：采用3種支護方案，巷道頂板下沉量和兩幫移近量均在10 mm以下，而無支護條件下，頂板下沉量最大為18.8 mm，左、右幫移近量26.9 mm，兩幫移近量54 mm。說明通過錨桿支護，加固了圍巖，一定程度上減少了圍巖位移量。方案2、方案3較方案1效果更好，但方案3對比方案2效果區別不大，說明支護強度再加大對于巷道控制已經沒有意義了，從綜合經濟效益來說，方案2為最優。

圖3 不同支護方案數值模擬結果對比圖

3.3 巷道支護方案確定

確定采用錨桿+金屬網+鋼筋梁+錨索聯合支護的方式，頂板支護：采用D22 mm的高強左旋螺紋鋼筋，長度為2 400 mm；采用樹脂加長錨固，錨固長度為1.3 m；頂錨桿預緊力350 N·m，錨固力160 kN；采用D14 mm的圓鋼筋焊接而成鋼筋托梁，寬度80 mm，長度5 100 mm；托板采用拱型高強度托板盤，規格為150 mm×150 mm×10 mm；用菱形金屬網，網孔規格50 mm×50 mm，網片規格4 600 mm×900 mm；間排距800 mm×800 mm，每排7根錨桿，頂角錨桿角度與垂線呈20°，其余垂直頂板。錨索采用D22 mm的低松弛預應力鋼絞線，長度為9 000 mm，樹脂加長錨固，鉆孔直徑為30 mm，錨固長度為1.5 m；錨索預緊力150 kN，錨固力250 kN；錨索間排距為2 400 mm×1 600 mm，錨索托板為250 mm×250 mm×20 mm鋼板。

巷幫支護：錨桿為D22 mm高強左旋螺紋鋼筋，長度2 400 mm，采用樹脂端部錨固，錨固長度為1.3 m；桿預緊力300 N·m；錨固力100 kN；采用D16 mm的鋼筋焊接成鋼筋托梁，寬度90 mm，長度2 200 mm。托板采用拱型高強度托板盤，規格為150 mm×150 mm×10 mm。采用菱形金屬網，網孔規格50 mm×50 mm，網片規格2 400 mm×900 mm；錨桿間排距850 mm×800 mm，每排4根錨桿。巷道支護如圖4所示。

圖4 巷道支護圖(mm)

該支護方案現場應用后，通過對巷道兩幫移近量、頂板離層量等進行現場監測，監測結果顯示：支護60 d內頂板下沉量最大為23 m，兩幫移進量最大為54 m，說明巷道圍巖變形量較小，加固效果良好，見圖5。

圖5 圍巖變形量圖

4 結 語

1) 通過對地應力、巷道圍巖強度測試及頂板巖層結構的觀測，我們發現：巷道圍巖頂板較堅硬，完整性較好；測試區域屬于中等偏高應力值區，井下應力場受構造影響較大。裂隙體與破碎體組成的煤幫頂板彎曲變形，易發生片幫、垮幫現象。

2) 針對巷道圍巖的圍巖力學特征，制定了3種巷道支護方案，數值模擬顯示支護方案2能有效控制圍巖變形、減少圍巖位移量，現場應用效果良好。