掘进巷道围岩变形特征及支护方案优化研究

陶盼

【摘 要】 本文结合山西某矿3615综放工作面主采的3#煤层的赋存顶底板岩层条件，分析了该工作面掘进巷道围岩变形特征，并针对巷道围岩所表现出来的不同特征，优化了掘进巷道的支护方案，得到巷道顶板风化潮解、薄基岩顶板破碎、软弱夹矸挤出和巷道底板严重底鼓的四种特征，并针对巷道围岩表现出的不同特征提出采用掘进巷道表面喷浆、增加巷道锚支护密度、巷道内部进行架棚支护来防止巷道围岩变形、风化，对掘进巷道实现高强度支护，最终通过现场实测的方法进行验证，掘进巷道取得了良好的支护效果，并为该矿其他工作面掘进巷道的支护给提供一定的参考价值。

【关键词】 掘进巷道;变形特征;支护优化

【中图分类号】 TD353 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）04-0017-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

当前，随着我国煤炭开采装备的不断改进和需求量的不断增加，采煤工作面开采速度逐渐提高，导致矿井采煤工作面接替速度不断增加，同时也对采煤工作面巷道掘进与支护技术水平的要求也更高。回采巷道在掘进过程中和结束后会发生变形，在对巷道围岩变形特征进行合理分析后，可以针对性地对掘进巷道的支护方案进行优化，实现对掘进巷道的有效支护，有效控制巷道围岩变形，进而实现工作面的安全高效生产。本文对山西某矿3615综放工作面掘进巷道的巷道围岩变形特征和支護方案分别进行分析和优化，重点分析了掘进巷道的围岩变形特点，同时针对掘进巷道的围岩变形特点优化巷道支护方案，为该矿其他工作面掘进巷道的支护方案提供一定的借鉴意见。

1矿井概况

3615综放工作面当前可采的主要煤层为3#煤层，3#煤层平均开采高度约为5.3m，3165工作面采用综合机械化放顶煤采煤法对3#煤层进行回采，工作面内采煤机割煤高度约为3m，放顶煤高度约为2.3m，3#煤层平均埋深约190m。3615综放工作面两回采巷道的总长度约为862m。3615综放工作面运输巷道沿3#煤层底板掘进，巷道掘进高度为3000mm，掘进宽度为5400mm。3#煤层直接顶岩层为厚度4.5m的泥岩岩层，灰黑色，主要以泥质构造为主，并含有大量植物化石碎片;基本顶岩层为厚度6.5m的细砂岩岩层，为中粒砂质结构，成分则主要以石英和长石为主;直接底岩层为厚度2.3m的炭质泥岩岩层，深灰黑色，泥质构造，厚层状层理，主要以高岭石为主;基本底岩层为厚度6.3m的中粒砂岩岩层，中粒砂状结构，主要以石英为主。53615综放工作面煤岩层综合柱状图如图1所示。

2掘进巷道围岩变形特征

2.1巷道顶板风化潮解

3#煤层顶板为泥质胶结的泥岩岩层，局部为细砂岩岩层，由于长期受到煤矿井下高温、潮湿环境的影响，3615综放工作面掘进巷道顶板岩层将会不断地风化和潮解，进而导致巷道顶板岩层中的原生裂隙程度加大，之前原生裂隙仍然会扩张，裂隙张开度进一步增大，同时还能够产生新的次生裂隙，底板岩层钻窥视如图2所示。掘进巷道顶板岩层与锚杆托板之间的裂隙程度大的岩层不断产生微小离层，出现片状掉落的现象。当掘进巷道顶板岩层与锚杆托板之间的岩层以片状形式掉落后，使得锚杆托板与顶板岩层之间无法紧贴，导致掘进巷道顶板锚杆发生局部失效，无法对顶板岩层起到有效的锚固作用。另外掘进巷道顶板岩层的岩性也存在差异，在受到外界环境与地质条件双重作用下，锚杆的锚固力显然不能达到许用要求，因此掘进巷道顶板岩层极易出现冒顶现象。

2.2薄基岩顶板破碎

3#煤层的平均埋深约190m，属浅埋深厚煤层，煤层上覆基岩岩层厚度约为15m，但是煤层顶板岩层强度变化差异较大，煤层直接顶岩层为泥岩岩层，灰黑色，泥质构造，含有植物化石碎片，强度较低，而基本顶岩层为细砂岩岩层，强度相对较高。当掘进巷道掘进至该矿深部时，3615综放工作面掘进巷道顶板基岩有受到自然环境的不断侵蚀，在矿山压力的作用下，3615综放工作面回掘进巷道顶板会更加破碎、不完整。

2.3软弱夹矸挤出

3#煤层的平均厚度约为5.3m，属于厚煤层，煤层内部存在一层强度较小的泥岩岩层夹矸，夹矸厚度0.2～0.6m。由于泥岩岩层的可塑性较强，在受到掘进工作面开采的影响时，泥岩岩层夹矸会发生挤压变形的显现，且掘进工作面风量较大，泥岩岩层夹矸表面易风化，变得破碎，又在井下潮湿环境作用下，泥岩岩层发生崩解，由此导致掘进巷道发生严重的片帮现象。

2.4巷道底板严重底鼓

3#煤层直接底岩层为深灰黑色炭质泥岩岩层，岩层为泥质构造，层状层理明显，成分则主要以高岭石为主。巷道在掘进后，底板炭质泥岩岩层中的高岭石成分由于受到矿井潮湿环境与矿井水的影响，炭质泥岩岩层由于遇水发生软化，并迅速膨胀，同时在掘进机械的扰动作用下，底板岩层破坏速度加快，形成大量的淤泥状泥化物，最终使得巷道底板发生严重破坏，出现底鼓现象。

3支护方案优化

针对掘进巷道表现出的巷道顶板风化潮解、薄基岩顶板破碎、软弱夹矸挤出和巷道底板严重底鼓的特征，提出巷道支护优化方法如下。

3.1掘进巷道表面喷浆

3#煤层直接顶岩层为泥岩岩层，灰黑色，泥质构造，含有植物化石碎片，对巷道顶板进行现场调研发现其节理、裂隙较为发育，同时泥岩岩层强度较低，内部的高岭石成分会导致泥岩岩层吸水软化膨胀。在3#煤层内对巷道进行掘进时，3#煤层顶部及直接顶岩层在矿井通风及潮湿环境的影响下，顶煤及直接顶岩层更加容易风化，进而出现块状开裂的现象，因此对3615综放工作面掘进巷道进行表面喷浆处理，也就是在巷道表面喷射浆体，防止巷道表面围岩出现风化，进而有效控制巷道围岩发生破坏，减小巷道围岩破坏变形，实现3615综放工作面的安全高效回采。

3.2增加巷道锚支护密度

3#煤层煤内部存在一层强度较小的0.2～0.6m厚的泥岩岩层夹矸，在掘进工作面中由于受到矿井通风和矿井水的双重影响，泥岩岩层夹矸外露部分相对容易风化，进而使得岩层更加容易破碎。由此为防止煤层夹矸的大面积挤出，在巷道两帮增加一排锚杆继续进行支护，依次控制掘进巷道煤壁片帮现象的发生，锚杆采用圆形树脂锚杆，直径16mm。同时在夹矸厚度变化明显的位置添加木背板并进行挂网，金属网采用15mm×15mm的菱形金属网，以此来防止泥岩岩层夹矸大范围的严重挤出，而严重时影响该工作面乃至该矿井的正常生产。

3.3巷道内部进行架棚支护

架棚支护在巷道支护系统中属刚性支护，刚性支护能有效提高掘进巷道被动支护性能，在煤岩层外部有效限制掘进巷道围岩变形的特点，同时通过增加架棚支护能够有效提高巷道围岩的支护强度，减少巷道顶底板移近量，有效控制巷道顶板出现离层及片状掉落现象的发生，减小巷道顶板下沉，使得巷道顶板锚杆充分发挥顶部锚杆的锚固作用。另外由于直接底岩层为遇水易软化膨胀的炭质泥岩，增加架棚支护还能够有效限制底板的鼓起。

优化后的巷道支护方案如图3所示。

4支护优化效果

为了验证支护优化后的掘进巷道支护效果，采用“十字测量法”对3615综放工作面掘进巷道的巷道表面位移进行观测，观测结果如下图4所示。

根据3615综放工作面掘进巷道表面位移观测结果可知，巷道顶底板移近量和两帮移近量在最终分别稳定在85mm和62mm左右，巷道表面位移满足矿井生产许可要求，故采用掘进巷道表面喷浆、增加巷道锚支护密度、巷道内部进行架棚支护能够取得良好的支护效果。

5结论

本文结合山西某矿3615综放工作面主采的3#煤层的赋存顶底板巖层条件，分析了掘进巷道围岩变形特征，并针对巷道围岩所表现出来的不同特征，优化了掘进巷道的支护方案，主要得到如下结论：

结合掘进巷道所在煤层泥岩顶板的强度较低且极易破碎和遇水软化膨胀特点，分析掘进巷道围岩表现出巷道顶板风化潮解、薄基岩顶板破碎、软弱夹矸挤出和巷道底板严重底鼓的特征。

针对巷道围岩表现出的不同特征，针对性地对巷道围岩支护方案进行优化，采用掘进巷道表面喷浆、增加巷道锚支护密度、巷道内部进行架棚支护来防止巷道围岩变形、风化。

通过采用“十字测量法”对掘进巷道表面位移进行观测可知，巷道顶底板和两帮移近量分别稳定在85mm和62mm左右，可以取得良好的支护效果。

【参考文献】

[1]陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[2]刘晓恒，王锴，江帅，李光朋，等.煤矿掘进巷道锚杆支护方式的应用与分析[J].煤矿机电，2013（2）：71-73.

[3]郭龙龙.煤矿掘进巷道支护设计分析研究[J].能源技术与管理，2017，42（6）：34-35，41.

[4]张少华.浅埋大采高综采工作面矿压规律分析[J].石化技术，2019，26（3）：303，309.

[5]李永鹏.浅埋大采高综采工作面矿压规律分析[J].山西能源学院学报，2018，31（5）：10-12.

[6]任建斌.煤矿巷道支护技术及其应用改进[J].山西冶金，2019，42（3）：88-90.

[7]李鹏飞.破碎围岩巷道加固技术研究[J].山西能源学院学报，2019，32（3）：20-22.

[8]陈苏社.特殊地质条件下掘进工作面顶板控制技术[J].煤炭科学技术，2014，42（4）：121-125.