西曲矿软岩巷道顶板冒落机理及控制研究

李建军

（西山煤电（集团）有限责任公司，山西 太原 030053）

0 引言

随着煤矿开采逐步向深部延伸，矿井开采面临越来越复杂的环境。由于煤层埋深的增大，井下所有巷道工程都处于较高的应力状态，并且地质条件更加复杂，对于软岩巷道，其维护难度加大，井下工作环境十分恶劣[1～2]。山西西曲矿开采煤层埋深较大，达到850～900m，巷道围岩强度较低，属于软岩巷道，井下巷道在掘进和使用过程中，围岩变形较大，顶板下沉、底臌等现象严重，部分巷道顶板冒落区范围极大，对井下安全生产产生巨大威胁[3～4]。这是因为巷道属于深井工程，巷道处于较高的应力水平，尤其是软岩巷道，其顶板结构较弱，极易出现冒落情况，巷道稳定性差[5～7]。

本文针对山西西曲矿18501工作面软岩巷道顶板大面积冒落的特征，对软岩巷道顶板结构破坏机理进行研究，基于其特殊地质条件，提出了“锚网索喷+桁架耦合支护”的软岩巷道围岩控制措施，并在现场进行了实践，从而为其他类似条件矿区软岩巷道工程提供参考。

1 工程概况

图1 18501工作面综合柱状图

山西西曲矿位于太原市古郊区，主要的开采煤层包括4、7、8和9号煤层，其中8号煤层属于厚煤层，平均厚度为4m，其他煤层属于薄及中厚煤层，本次研究选择为18501工作面回风巷，18501工作面井下位于南五盘区南部，北邻已回采的18502工作面，南邻已回采的18307工作面，西邻南983运输大巷，东邻西983运输大巷。工作面上覆上覆4号煤14501、14504采空区，煤层间距为65米左右。各工作面均留设保护煤柱。工作面周边无相邻巷道。工作面开采范围内，煤层厚度为3.8～4.4m，平均厚度为4.2m，煤层倾角为1～9°，平均为3°，属于稳定可采煤层。8号煤层结构简单，中部普遍含有一层泥岩夹矸，夹矸厚度变化不大，18501工作面回风巷为软岩巷道。煤层上方为0.23m的炭质泥岩伪顶，直接顶为2.4m的石灰岩，直接底板为1.54m细砂岩，老底为3.13米的粉砂岩。18501工作面顶底板综合柱状图如图1所示。

2 巷道顶板破坏机理

2.1 巷道顶板变形破坏特征

由于软岩巷道埋深较大，处于较高应力水平，围岩强度低，内部发育有大量节理裂隙，并且由于巷道中有断层的存在，造成围岩连续性分割，稳定性较差。巷道掘进以及工作面回采会对巷道产生影响，当顶板岩层承受的载荷超过其自身承载极限时，造成顶板破坏发生冒落。顶板冒落高度不同，其特征也不完全相同。根据顶板冒落高度大小，顶板可分为冒落区以及冒顶区，当冒落高度超过3m时，其为高冒区，当冒落高度小于3m时，其为冒顶区。18501工作面回风巷顶板部分冒落高度超过3m，因此存在高冒区。图2为18501工作面顶板结构模型图，顶板结构为层理发育并伴随有一定竖向节理的砂岩与石灰岩交互层。

图2 18501工作面巷道顶板结构模型

2.2 巷道顶板冒落机理

根据上述18501工作面回风巷顶板破坏特征，结合现场条件，采用UDEC数值模拟软件对其进行计算，从而分析巷道顶板变形破坏机理。

图3为巷道顶板冒落分析结果。从结果可以看出，巷道掘进后会在围岩内部进行应力集中，巷道顶板的破坏过程从巷道表面开始，逐步向围岩深部传播，表面围岩发生破坏后，其对深部围岩的限制作用逐步丧失，深部围岩承受载荷超过其自身承载极限后，发生变形破坏，直到岩层稳定后，冒落区不再发生变化。从图中可以看出，层状顶板岩层之间存在一定的黏结力，因此导致顶板岩层破坏变形并不均匀。

图3 顶板冒落分析结果

3 巷道稳定性控制方法及支护方案

3.1 影响巷道稳定性的主要因素

根据上述数值模拟结果以及现场巷道地质条件，得出影响巷道稳定性的主要因素包括以下几点：

1）巷道埋深大，围岩应力水平较高。由于18501工作面回风巷埋深达到850～900m，其上覆岩层产生的载荷接近20MPa，考虑有水平应力的存在，造成巷道顶板破坏。

2）巷道为软岩巷道，围岩强度较低。由于巷道围岩内部节理裂隙大量发育，围岩强度较低，加上巷道部分位置有断层存在，导致巷道连续性被破坏。

3）巷道支护方式较差。由于巷道支护过程中，未考虑巷道为软岩巷道以及高应力水平围岩等条件，因此仅采用常规的锚杆+锚索支护方式，并且支护参数存在一定缺陷，导致巷道支护强度不够，巷道顶板下沉以及底臌等现象严重。

3.2 控制方法及支护方案

1）围岩控制方法。

结合数值模拟分析结果，可将巷道顶板结构由下到上分为三个部分，分别为易冒落岩层、挤压变形岩层和稳定岩层，如图4所示。巷道变形过程首先从易冒落岩层开始，其失去稳定性后，会向巷道内部掉落，形成冒顶区；其上部挤压变形岩层由于失去支承作用，会继续向巷道内部冒落，形成高冒区，直到高度达到稳定岩层后，能够承受巷道载荷，不再发生破坏变形，冒落高度也不再上升，巷道逐步稳定。

图4 巷道顶板岩体冒落分区

图5 支护设计断面

过去对于巷道高冒区通常采用充填的方法进行支护，但这种支护方法费用较高，工程量大，耗费时间较长。根据上述分析结果，结合现场概况，提出利用围岩自承的能力以及顶板形成的冒落拱的稳定性，加以锚网索喷+柔层桁架耦合支护的支护技术。在冒落拱的上部空间采用锚索+金属网+喷浆进行支护，加固冒落拱围岩表面强度，冒落拱下部空间采用柔层桁架耦合支护，限制巷道围岩的变形，维持巷道稳定性。这种支护方式降低了高冒区治理的工程量和难度，并为顶板围岩控制提供了新思路。

2）支护方案。

图5为18501工作面回风巷现场支护技术图。采用这种方法对顶板围岩治理时，首先，采用锚索以及金属网对高冒区的围岩补强，并加以喷浆，提高围岩强度。然后，在高冒区下部空间安装柔性桁架和钢筋网，之后进行注浆支护。注浆液选用混凝土，注浆后其上部空间形成反拱形，巷道冒落后形成了上下两个空间格局。最后，在浇筑混凝土上打锚索，并在围岩变形至挤压柔层桁架时复喷混凝土进行二次支护，完成高冒区治理与控制。

3.3 效果分析

为验证这种支护技术治理高冒区的实际效果，在巷道表面布置位移测站1#、2#。典型测站现场监测结果如图6所示。从监测数据和位移曲线可以看出，巷道采用新支护技术治理高冒区后在较短的时间内即可控制住了巷道围岩变形，最终巷道两帮移近量为35mm，底臌量为25mm，变形量小且稳定时间快。

图6 测站位移曲线图

4 结论

本文对山西西曲矿18501工作面回风巷顶板破坏失稳机理进行了研究，分析了顶板冒落过程。巷道顶板的破坏过程从巷道表面开始，逐步向围岩深部传播，表面围岩发生破坏后，其对深部围岩的限制作用逐步丧失，深部围岩承受载荷超过其自身承载极限后，发生变形破坏，直到岩层稳定后，冒落区不再发生变化。基于此变形机理，提出了利用围岩自承的能力以及顶板形成的冒落拱的稳定性，加以锚网索喷+柔层桁架耦合支护的支护技术，并在现场进行了实践。实践结果表明，巷道采用新支护技术治理高冒区后在较短的时间内即可控制住了巷道围岩变形，效果良好。