软岩顶板巷道稳定性影响及支护参数选取研究

牛春雨

（中煤平朔集团井工一矿，山西 朔州 037200）

巷道支护作为矿井安全开采的重要保障，国内外学者针对不同类型的巷道支护进行了大量的研究并取得了重要的成果[1-5]。软岩巷道支护作为国内巷道支护的难题之一，随着煤炭资源的大量采出，巷道断面承受的强动压导致软岩巷道的破坏程度进一步增大。软岩巷道围岩相对于一般巷道强度低，遇矿井水后支护强度减弱，需多次支护、多次返修。本文以太西采区19107工作面辅助运输顺槽为研究对象，通过现场围岩地质力学评估、室内试验及现场实测等研究方法，对19107工作面辅助运输顺槽泥岩顶板破坏机理及控制技术进行了系统分析，提出了长锚索、强锚固、高预紧力下位直接顶强度强化支护方案，对支护参数进行设计并应用于工程实际。

1 工程地质概况

1.1 工程地质条件

19107工作面是太西采区9煤第二个工作面，上部为14107工作面采空区，北部与19106工作面相邻，南部是未开采区，东部是太西水仓保护煤柱，西部为小窑破坏区。本工作面所掘煤层为9煤，经钻孔实际揭露，该煤层结构较复杂。9煤平均厚度为11.58m，直接顶平均厚1.12m，主要岩性为泥岩、炭质泥岩、高岭石泥岩互层，局部含黄铁矿结核；基本顶平均厚度为7.83m，主要岩性为泥岩与砂质泥岩互层，下部含黄铁矿；底板平均厚度为3.19m，主要岩性为泥岩、砂质泥岩、泥质灰岩互层。工作面柱状图如图1所示。

1.2 水文地质概况

19107工作面直接充水含水层为4煤与9煤之间砂岩裂隙含水层，该含水层总体富水性弱，以静储量为主，水力联系差，易于疏干。工作面上部为14107工作面采空区，受采动影响，上部K3、K4等砂岩含水层通过冒落裂隙带影响19107工作面，在普23孔向斜轴部易形成积水危险区。根据水文地质补勘（二期）报告、地面瞬变电磁勘探报告及太西区充水条件评价及防治水对策研究报告提供资料，普23孔向斜轴部及三维地震勘探X5陷落柱区域为中等富水异常区，三维地震勘探X7陷落柱区域为弱富水-不富水异常区，但可能导通上部及下部含水层，为富水较危险区。

图1 工作面柱状图

1.3 影响巷道稳定性因素

经现场科研工作者的理论分析研究及现场生产实践经验总结，影响19107辅助运输顺槽巷道稳定性因素主要有地质构造、覆岩顶板岩性、水文地质条件。

（1）地质构造。19107辅助运输顺槽在开采过程中，将会揭露5条断层。最大落差的断层为DF35断层，落差高度为14m，倾角为70°；最小落差为DF34断层，落差高度为2m，倾角为40°。

（2）覆岩顶板岩性。根据钻孔资料可知，19107工作面顶板岩性主要为泥岩，部分层位有中砂岩。因此，工作面顶板属于软岩顶板。

（3）水文地质条件。根据1.2节分析可知，19107顶板淋水水源主要有14107采空区积水以及K3、K4等砂岩含水层。而19107顶板岩性主要为泥岩，泥岩遇水泥化，最终导致支护强度减弱，影响巷道稳定性。

2 直接顶泥岩亲水崩解及膨胀性试验研究

根据影响19107工作面巷道稳定性因素可知，巷道稳定性主要受顶板泥岩遇水软化崩解降低强度。因此，为了进一步从宏观上判断19107巷道顶板岩层遇水后耐崩解程度，现场提取了煤层顶板岩性，在实验室进行了浸水崩解性及膨胀率试验。直接顶泥岩水化崩解3d、7d、15d的崩解图如图2所示。

图2 直接顶泥岩岩样水崩解图

从图2可知，在自然状态下，顶板泥岩3d开始出现崩解，随着时间延长崩解程度加大，逐步形成片状，当到15d后崩解基本成片状。岩样自由膨胀率可大致分为2个阶段：第一个阶段为快速增加阶段，膨胀率快速增加（2h以内）；第二个阶段为缓慢增加阶段，达到最大值8.5%。岩样在吸水过程中明显经历了快速吸水、缓慢吸水、饱和吸水三个阶段，与此阶段对应表层快速软化、内部缓慢软化、整体软化三个阶段。因此，19107巷道支护中要时刻注意淋水对围岩强度的巨大影响。

3 巷道围岩支护参数确定

根据19107工程水文地质条件以及工作面顶板泥岩亲水崩解及膨胀性试验结果分析，提出了长锚索、强锚固、高预紧力下位直接顶强度强化支护方案，选择了左旋无纵筋等强锚杆、高预应力锚索。具体参数及现场应用效果如下。

3.1 锚杆、锚索支护参数

3.1.1 锚杆、锚索规格

（1）顶锚杆采用MSGM-335、Ф22×2400mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆；帮锚杆分别采用MSGM-335、Ф22×2400mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆（上面两排）和MSGM-235、Ф18×1700mm普通圆钢锚杆（下面一排）。

（2）锚索采用Ф17.8×10300mm七芯钢绞线。

（3）锚杆角度：顶部两边的锚杆与垂直线成15°夹角，其他锚杆与巷道顶部轮廓线垂直布置，其最小角度不小于75°。

（4）顶锚杆托盘规格150×150×10mm；帮锚杆托盘规格分别为150×150×10mm和200×200×10mm；锚索托盘规格250×250×10mm。

（5）顶钢带规格为Ф12×4600mm的圆钢钢带，帮钢带规格为Ф12×2500mm圆钢钢带。

3.1.2 锚杆间、排距

顶锚杆间排距为900mm×900mm，每排布置6根，最外一根距帮350mm，每排锚杆安设钢带加强支护。帮锚杆间排距为1200m×900mm，每排布置6根，上面一根距顶400mm（即顶网与帮网的搭接处），下面一根距底700mm并压住帮网，每排锚杆安设钢带加强支护。

3.1.3 锚索的布置

锚索每排布置2根，间排距为2000×2700mm。

3.1.4 锚网、钢带规格

（1）顶铺Ф4×80mm的钢板金属菱形网，规格为3000mm×1100mm；帮铺两片Ф4×80mm的点焊经纬网，规格为3000mm×1400mm。

（2）铺联网需紧贴壁面，联网牢固，扣距≤100mm，压茬一个网格，充分展开，用14#双股铁丝扎牢。顶网的联网铁丝头要以中线激光为准分别朝向两边，帮部的联网铁丝头要全部朝下。

3.2 现场测试

为验证分析19107工作面巷道支护情况，采用十点监测法在19107辅助运输顺槽进行了监测。监测数据表明：两帮受回采支撑压力影响较大，移近量约为0.3m，顶板中央的最大下沉量约为0.42m；采取措施后虽仍有变化，但巷道围岩完整性较好，不会影响运输及工作面回采。现场实照如图3所示。

4 结论

（1）对影响巷道稳定性因素进行了分析，总结发现造成巷道围岩变形破坏的原因主要是顶板泥岩遇水软化崩解和地质构造两方面因素。

（2）根据对19107工程水文地质条件以及工作面顶板泥岩亲水崩解及膨胀性试验结果分析，提出了长锚索、强锚固、高预紧力下位直接顶强度强化支护方案，有效控制了辅助运输巷道围岩表面变形，满足现场生产需要，确保矿井安全高效生产。

图3 现场巷道支护实物图