窄煤柱巷道圍巖變形破壞特征與支護參數優化

王 陽

（汾西礦業兩渡煤業， 山西 靈石 031302）

0 引言

窄煤柱沿空掘巷與常規留設大煤柱巷道掘進方式在圍巖應力分布、圍巖變形特征等方面有一定差異，掌握窄煤柱巷道圍巖變形特征，對合理設定圍巖支護參數有顯著促進意義[1-2]。圍巖變形特征與圍巖裂隙擴展、圍巖巖性以及支護方案等密切相關，現階段常用的圍巖探測手段包括直接觀察法、鉆孔觀察法以及物探法等[3-4]。本文以山西某礦3306 運輸巷掘進為工程背景，分析巷道圍巖變形特征并綜合采用鉆孔窺視、瑞利波探測掌握圍巖裂隙擴展情況，后對圍巖支護參數進行優化，最終實現了窄煤柱巷道圍巖變形有效控制。

1 工程概況

1.1 地質概況

3306 運輸巷設計掘進長度1 355 m，巷道南側為東翼采區軌道下山，北側及西側均為實體煤，東側為已回采完畢的3305 采空區。3306 運輸巷沿著3 號煤層底板掘進，巷道底板埋深均值為305 m，設計為矩形斷面，凈寬×凈高=4.5 m×2.8 m，采用EBZ260 掘進機掘進。3 號煤層厚度4.7～6.8 m，煤層底板為泥巖，厚度3.5 m，遇水膨脹，承載能力較差，裂隙不發育；直接頂為泥巖、砂質泥巖位置，為復合頂板，厚度1.2～2.0 m；直接頂（復合頂板）之上為基本頂（K2 灰巖），厚度均值12.5 m，賦存穩定、較為堅硬。3306 運輸巷與鄰近的3305 采空區間留設8 m 護巷窄煤柱。

1.2 圍巖支護參數及圍巖變形情況

3306 運輸巷斷面為矩形，凈寬×凈高=4.5 m×2.8 m，巷道頂板采用錨梁網索支護，選用的錨桿為Φ20 mm×2 200 mm 螺紋鋼錨桿，錨索為Φ15.24 mm×5000mm鋼絞線，錨桿及錨索布置間排距分別為900mm、900 mm，2 000 mm、1 800 mm；采面幫及煤柱幫分別采用玻璃鋼錨桿、螺紋鋼錨桿，規格均為Φ18 mm×1 800 mm，間排距均為800 mm、900 mm。頂板及巷幫均使用鋼筋梯子梁+金屬網強化巷道表面支護。

在現有支護方案下，3306 運輸巷圍巖變形較為嚴重，在3306 運輸巷距離巷道開口50～100 m 范圍內布置測點，監測發現頂底板、巷幫收斂量最大值分別為350 mm、800 mm，圍巖變形量較大。

2 巷道圍巖監測

由于3306 運輸巷受鄰近采空區頂板垮落影響較為顯著，為此綜合采用鉆孔窺視、瑞利波探測手段掌握運輸巷圍巖變形特征。

2.1 鉆孔窺視

采用鉆孔窺視儀對3306 運輸巷頂板情況進行窺視，在巷道不同位置布置不同深度的窺視鉆孔，窺視鉆孔孔徑統一為28 mm。具體巷道頂板鉆孔窺視成果如圖1 所示。從圖1 中看出，頂板巖性結構復雜，巷道直接頂（復合頂板）位置巖體裂隙發育，同時巖體呈現破碎、松散特點。巷道基本頂為K2 灰巖，窺視鉆孔在施工期間曾出現塌孔情況，巖體內裂隙發育，部分位置裂隙內充填有方解石。

圖1 鉆孔窺視成果

受3306 運輸巷掘進開挖擾動以及鄰近采空區頂板垮落下沉等影響，導致運輸巷頂板巖體出現不同程度離層，裂隙由淺部向深部擴展，降低頂板巖體承載能力。通過鉆孔窺視發現，頂板上覆0～2 m 范圍內出現一定程度離層。由于復合頂板與基本頂層間黏結性差，更容易出現離層；在巷道頂板5 m 位置出現離層的原因在于基本頂K2 灰巖內巖體裂隙發育。

2.2 瑞利波探測

在3306 運輸巷用瑞利波實現運輸巷頂板、巷幫位置破壞深度探測，以便確定現有的支護參數是否滿足圍巖控制需要。

采用型號YTR（D）瑞利波探測儀在運輸巷距離開口100 m 位置布置測場，在巷道頂板、巷幫各布置一條測線，單條測線按照1 m 間隔布置9 個測點，具體獲取到的巷道頂板、巷幫位置破壞深度，結果如圖2 所示。

圖2 瑞利波探測成果

瑞利波探測發現，煤柱幫、采面幫破壞深度分別在1.5～2.2 m、1.0～1.7 m，在煤柱幫1.5～2.0 m 范圍內發現多處物探異常區；煤柱幫破壞深度明顯高于采面幫，分析主要是由于煤柱本身寬度較小且受到采空區側向應力影響顯著導致的。巷道頂板破壞區范圍主要集中在頂板上覆0～1.0 m、2.0～5.0 m 兩個區段，在煤層直接頂與基本頂交界位置有多個物探異常區，表明該區域內巖體裂隙較為發育。

3 圍巖支護參數優化

從鉆孔窺視以及瑞利波探測成果發現，在巷道頂板0～2.0 m、2.5～5.0 m 范圍巖體破碎，煤柱幫、采面幫破壞深度分別在1.5～2.2 m、1.0～1.7 m，巷道淺部巖體裂隙較為發育。為提高支護效果，適當增加錨桿長度以及支護密度，具體將巷幫錨桿長度由1 800 mm增加至2 400 mm、頂板錨桿長度由2 200 mm 增加至2 600 mm，錨桿預緊力控制在80 kN 以上。巷幫及頂板錨桿布置間排距保持不變。

3306 運輸巷原支護中頂錨索長5 000 mm，由于巷道頂板上覆5 m 位置處巖體有離層、裂隙發育情況，原有的錨索錨固端處于裂隙發育、頂板離層位置，無法起到較好的懸吊以及圍巖控制效果。根據相關支護經驗，錨索錨固端進入穩定巖層內1.5 m 以上時可起到較為顯著的支護效果，因此將頂板錨索長度由5 000 mm 增加至6 500 mm；為充分發揮錨索支護效果，將預緊力設計為180 kN，布置間排距保持不變。具體優化后巷道支護斷面如圖3 所示。

圖3 優化后圍巖支護參數（單位：mm）

4 圍巖支護效果分析

布置測站對圍巖支護參數優化段圍巖變形量進行持續監測，具體監測獲取圍巖變形情況如圖4 所示。巷道掘進速度在6 m/d，在支護距離掘進迎頭25 m（支護完成4～5 d）范圍內時巷道圍巖變形量明顯增大，此時頂底板、采面幫及煤柱幫變形量分別為73 mm、38 m、56 mm；隨后測點與迎頭間距不斷增加，圍巖變形量逐漸穩定，在與迎頭相距120 m（支護完成20 d后）以后，圍巖變形量基本不再增加，此時頂底板、采面幫以及煤柱幫變形量分別穩定在89mm、43mm、64mm。采用優化的支護方案后，3306 運輸巷圍巖變形量過大問題得以較好解決，取得較為顯著的應用成果。

圖4 圍巖變形監測曲線

5 結論

1）3306 運輸巷沿著回采的3 號煤層底板掘進，巷道埋深均值為320 m，掘進區域內地質構造不發育，掘進期間受地應力、構造應力等影響不明顯。3306運輸巷與鄰近的3305 采空區間留設8 m 保護煤柱，護巷煤柱較窄加之運輸巷掘進區域受采空區頂板垮落變形影響，導致3306 運輸巷圍巖變形量偏大。

2）綜合采用鉆孔窺視、瑞利波探測手段對3306運輸巷圍巖情況進行探測，發現巷道頂板0～1.5 m、2.5～5.0 m 范圍內破碎、裂隙發育，巷道采面幫、煤柱幫破壞深度分別介于1.0～1.7 m、1.5～2.2 m。巷道原支護方案中頂錨桿、巷幫錨桿長度分別為2 200 mm、1 800 mm，錨桿長度偏小，無法起到有效控制圍巖變形目的，為此將頂錨桿及巷錨桿長度分別增加至2 600 mm、2 400 mm；巷道原支護方案中頂錨索長度為5 000 mm，錨索錨固端位于基本頂裂隙發育處且位置處出現一定離層，無法起到較好的懸吊效果，為此將錨索長度由5 000 mm 增加至6 500 mm，使得錨索錨固端位于頂板穩定巖層中。

3）采用優化后的支護方案，3306 運輸巷圍巖變形量過大問題得以有效解決，巷道支護點與迎頭相距120 m（支護完成20 d）后，巷道圍巖變形得以較好控制，其中頂底板、采面幫及煤柱幫變形量分別穩定在89 mm、43 mm、64 mm 以內，實現了窄煤柱巷道圍巖變形有效控制。