三交河煤矿复杂顶板巷道围岩变形控制研究与应用

2020-05-13董胜杰

煤矿现代化 2020年3期

董胜杰

（霍州煤电集团汾河焦煤股份有限公司，山西洪洞 041602）

0 引言

软岩巷道围岩控制技术研究一直以来都是地下空间支护的难点问题之一，针对煤矿井下软弱顶底板巷道的支护与围岩变形控制研究，有专家学者曾做了详尽研究[1-5]。山西焦煤霍州煤电集团三交河煤矿现开采10#煤层，煤层直接顶为较厚泥岩层，最大厚度达到8.7m，此顶板巷道支护时，锚杆锚索锚固效果不佳，甚至出现锚固体失效现象，以10-203回采巷为例，巷道掘进后1～2个月内出现了顶板变形破碎严重，局部出现垮落冒顶现象。现采用理论分析、取样试验、工程实测的综合研究方法，对顶板泥岩试样做了相关特性分析研究，并在研究基础上对现场巷道进行了支护参数优化，实现了“锚-网-喷”联合支护方式控制围岩，取得了良好的实际效果，从而保证了巷道安全稳定，降低了巷道返修率，促进了回采效率提升，具有重要的理论指导意义与实际工程实用价值。

1 工程概况

1.1 煤层特征

表1 煤层顶底板岩性特征

山西焦煤霍州煤电集团三交河煤矿10-203回采运输巷位于井下二采区+850m水平南翼，其掘进工作面东侧30m为10-201采空区，西侧为实体煤，南侧为实体煤，北侧为下组煤辅助运输巷。10-203掘进巷道沿10#煤层走向布置，底板掘进，设计断面为矩形，净宽4.0m，净高2.7m，设计长度1765m，主要用于10-203回采工作面进风、运煤及行人。10#煤层埋深326m～369m，平均埋深 348m，煤层厚度 1.6～2.5m，平均厚度3.5m，煤层倾角0°～10°，平均倾角5°。煤层特征为：黑色块状，条带状结构为主，呈弱沥青光泽，煤层组份以亮煤为主，暗煤次之，镜煤少许。煤层可采指数为1，变异系数为15%，夹矸为泥岩。煤层直接顶与直接底均为泥岩，结构稳定性较差，顶底板岩性特征见表1所示。

1.2 水文地质情况

通过对地表水、煤层顶板含水层、上覆采空区积水等情况的勘察与分析，10-203水文地质条件为中等。其中顶板上部含水层为K2、K3灰岩含水层，在地质构造发育及含水层裂隙发育地段，顶板淋水可能性增加，会对回采及掘进工作面造成一定影响。

1.3 巷道支护方式

10-203回采巷道顶板采用锚网梁、锚索、钢板联合支护方式，顶锚杆选用φ18×2000mm的高强锚杆，“五·五”布置，间排距为 900mm×1000mm，顶锚索选用φ21.6mm×5200mm的钢绞线，“二·二”布置，间排距为2000mm×2000mm；巷道两帮采用锚网梁支护方式，帮锚杆选用φ18mm×2000mm的高强锚杆，“三·三”布置，间排距为1000mm×1000mm。

1.4 巷道围岩破坏特征

距现场调研及观察，10-203新掘巷道采用现有支护体系下，在掘出1个月左右时，巷道顶板开始出现开裂、破碎、脱落、淋水等现象，甚至局部发生整体冒落情况，顶板部分锚索出现拉裂、脱落现象，对巷道安全及行人安全均带来了巨大威胁，加之巷道高度不大，返修维护等作业进行难度随之增加。

2 泥岩顶板特性分析

如图1，为顶板泥岩试样的X射线衍射图谱，可见，泥岩试样成分中，石英、高岭石、伊利石等黏土类矿物成分占比极大，其含量高达70%左右。

图1 泥岩试样X射线衍射图谱

如下图2，为顶板泥岩试样经过饱水-风干连续4个循环的破坏崩解过程，可见，初始泥岩试样为完整岩芯，如图2（a）,在经历2个循环过后，出现了一定程度的断裂、掉落现象，如图2（b）；在经历3个循环过后，近半岩芯已完全破碎脱离整体，如图2(c)，在经历4个循环之后，岩芯发生了完全破断、碎裂现象，如图 2（d）。

图2 泥岩试样崩解过程

如图3，为顶板泥岩试样扫描电镜图，可见，有大量薄片状高岭石及条叶状绿脱石与伊利石，其毫无规则的杂乱堆积，相互间插，无规律分布，结构单元体已失去应有的定向性，可见有明显裂隙生成。

图3 泥岩试样扫描电镜图

结合以上研究所述，10-203巷道顶板泥岩中黏土类矿物含量占比较大，遇水易膨胀破碎，且泥岩结构内生裂隙发育。当巷道开挖后，巷道围岩应力重新分布，导致顶板泥岩微小裂隙发育严重，同时扩展、贯通，宏观表现为明显裂隙生成，易形成导水通道。

3 围岩支护优化

由上文分析可知，巷道顶板泥岩层的不稳定性是巷道整体失稳的关键问题所在，顶板泥岩软弱、破碎的性质使得锚固体锚固效果不佳，锚固区内围岩结构强度不足，承载能力较差，而且，顶板泥岩层遇水极易膨胀，故现有的支护体系已不能够成为巷道保持稳定的依靠，亟需以新的支护体系加强对围岩变形的控制。

3.1 围岩结构优化

原先巷道断面尺寸为4000mm×2700mm，现对即将要掘出的巷道要求断面为4200mm×2800mm，即两帮各扩宽100mm，顶板上扩100mm，为喷射混凝土留设足够空间。另外，由于10#煤层顶板存在大约500mm厚的破碎伪顶难以控制，且煤层直接底也为裂隙发育、遇水膨胀的泥岩层，所以要求新掘巷道改为沿10#煤层破顶破底掘进。

3.2 围岩支护参数优化

1）喷射混凝土。对新掘巷道围岩要求喷射密集混凝土，其中，巷道顶板喷射厚度50mm，巷道两帮上部500mm内喷射厚度30mm，严格遵守喷射规程，达到要求喷射强度。

2）支护体优化。锚杆：顶板采用φ20mm×2200mm高强度螺纹钢锚杆取代原先的φ18mm×2000mm锚杆，两帮仍采用φ18mm×2000mm的高强锚杆，为了加强控制巷道上帮角围岩处的变形，巷道顶角及两帮角的锚杆布置均向上帮角倾斜20°。锚索：顶板锚索长度由原先的5200mm增长为7000mm，布置角度由原先的垂直布置改变为向外倾斜20°布置。锚网：为加强顶板下位岩层刚度，采用φ6.5mm钢筋焊接网取代原铁丝网和钢筋梯子梁。巷道优化支护方案与原支护方案断面对比图如图4。

图4 巷道支护优化方案与原方案断面对比图

4 优化效果分析

4.1 数值试验分析

图5 围岩破裂演化过程

如图5所示，为10-203应用优化支护方案后的巷道围岩破裂及剪应力演化过程。可见，初始阶段，锚杆索所受剪应力分布匀称，变形协调较好，支护体系整体较为稳定，能够有效控制围岩变形；当加压至10MPa时，巷道顶角开始出现一定裂隙；当加压至15MPa时，锚索仍能够承担围岩剪应力，并能切断围岩顶角的塑形滑移线，使得在巷道顶板上方能够形成一个具有一定能力和范围的承载体结构。总的来说，优化支护方案可使巷道围岩稳定性得到良好的控制。

4.2 工程应用分析

在10-203回采巷道应用优化支护方案后，在10-203回采工作面推进过程中，对回采巷道围岩变形情况进行了实时动态监测，监测结果如图6所示。

图6 围岩变形监测曲线图

由图6可知，回采期间，回采工作面距测站40m以外时，巷道ing版及两帮位移量变化不明显；回采工作面距测站40m时，回采巷道顶板及两帮变形开始增加；当回采工作面推进至距测站20m时，巷道顶板及两帮位移急剧加大；当工作面与测站重合时，顶板累积下沉量为370mm，两帮累积收缩量为250mm。以上监测结果表明，采用优化支护方案后的巷道能够保证回采安全生产，且距工程现场调研可知，采用优化支护方案后，10-203回采巷道围岩整体变形量能够控制在合理范围之内，且巷道支护构件受力较为均匀，巷道整体较为稳定，有效改善了原先巷道围岩破坏严重，顶板变形不易控制的难题。