金辛达煤矿11103回风巷破坏原因及支护方案优化

杨宇鹏

(霍州煤电集团 辛置煤矿，山西 霍州 031412)

复合顶板是煤矿较为常见的一种现象[1-2]，一些巷道的复合顶板由多层厚度较小、强度较低的岩层组成，其围岩内部裂隙发育且松散破碎，易吸水膨胀，各岩层之间黏聚力较低[3]，在高应力、强扰动、淋水等条件下巷道顶板容易出现离层、冒落，难以形成稳定的支护结构[4]。同时上覆岩层重量也会逐渐向两帮转移，进而造成两帮片帮现象的发生，因此对该类巷道的有效支护成为了诸多学者的研究课题。

金辛达煤矿11103回风巷的顶板为复合顶板，该巷道在掘进期间，顶板下沉明显，两帮出现了不同程度的片帮，且顶板大量锚杆出现了剪切破断，多根锚索被拉脱，先掘后修的现象较为严重，矿井的生产效率大幅下降，探究该巷道的破坏原因并采取有效的控制措施已成为当前急需解决的主要任务。

1 工程概况

金辛达煤矿11103综采工作面位于原鑫沟煤矿工业广场北部，埋深500 m，地面相对位置是山脉和沟壑。工作面北部为11105掘进工作面，南部为11102工作面采空区，东部为井田边界。沿煤层倾向布置，设计走向长度1 800 m，倾向长度200 m，所采煤层为11号煤层，该煤层位于太原组下段中上部，工作面可采范围内煤层厚度4.1～5.8 m，平均4.7 m，煤层结构相对简单，层位稳定。服务于该工作面的回风巷净宽5 m，净高3.4 m，掘进总长度达到了2 000 m，断面形状为矩形，沿煤层顶板掘进。支护形式采用锚网索+钢带，其中顶板布置五根D20 mm×2 200 mm螺纹钢锚杆，间排距为1 m×1 m，锚索布置方式为三花布置，即第一排在巷中布置一根，第二排在距巷中线左右1.5 m处各布置一根，以此循环，排距为1 m，锚索为D17.8 mm×5 300 mm的钢绞线。帮部每排布置4根锚杆，间排距为0.9 m×1 m，型号与顶板锚杆一致。在对锚杆(索)布置的过程中，锚杆施加的预紧力为55 kN，锚索施加的预紧力为120 kN，巷道断面支护如图1所示。

图1 巷道断面支护

2 巷道破坏特征

11103回风巷在掘进期间出现了严重的变形破坏情况，其主要破坏特征如下：

1) 在巷道掘进过程中顶板下沉明显且两帮出现了严重的片帮情况，同时巷道肩部的钢带弯曲变形严重。

2) 巷道顶板大量的锚杆发生了破断现象，从施工现场来看，靠近顶板中部和巷道两肩角处的锚杆破断根数最多，占到了锚杆总破断根数的80.6%。多数锚杆的让压管发生了严重变形，说明顶板锚杆受力偏大，部分锚杆已超出了其破断载荷。

3) 对破断锚杆的锚杆孔进行观测，观测结果表明所有已断锚杆的锚杆孔处的岩层都发生了沿水平方向的错动，且有的托盘在锚杆破断的过程中产生了5～100 mm的水平移动。

4) 巷道断面变形较大的区域其顶板的淋水现象也较为严重，局地区域路面出现了较多的积水。

3 围岩原位探测

3.1 巷道顶板围岩原位探测及力学参数测试

巷道顶板岩层的赋存状况以及各岩层的物理力学参数对于巷道的稳定具有重要影响，为了探究11103回风巷顶底板的围岩赋存状况，在巷道顶底板选取合适的位置布置钻孔并进行打钻取芯，将所取岩芯做进一步加工后将其密封带回实验室，通过SANS试验机对各试快的物理力学参数展开测试，测试结果见表1。

表1 巷道顶底板围岩力学参数测试结果

从表1可以看出该巷道顶板属于复合顶板，距顶板表面6.2 m范围内含有3层岩层，分别为泥岩、粗砂岩和泥岩，每层岩层的厚度均比较薄，分别仅有2 m、1.4 m和2.8 m，这3层岩层的抗压强度分别为12.4 MPa、15.61 MPa和11.82 MPa，与同类岩层的强度相比要低出许多，且围岩裂隙较为发育，层间黏聚力较低，距顶板表面6.2 m以上的岩层为粉砂岩，该岩层围岩强度较高，层厚达到了8.6 m，巷道的直接底为泥岩，岩性较软，遇水易软化。

3.2 巷道围岩地应力测试

巷道顶板大量锚杆发生剪切破断，已断锚杆的锚杆孔处的岩层发生了沿水平方向的错动，可见巷道受构造应力明显，为了进一步掌握该巷道的构造应力分布情况，在巷道中选取合适的位置布置测站，使用水压致裂法对其地应力的分布状况进行测试，测试结果见表2。

表2 地应力测试结果

从表2可以看出，四个测站的最大水平应力分别达到了19.8 MPa、19.9 MPa、17.7 MPa和21.2 MPa，所对应的侧压系数取值分别为1.5、1.45、1.38和1.46，由此可知该巷道受水平应力最为明显，这与锚杆和锚杆孔的破坏情况相吻合。

4 巷道破坏原因

1) 巷道顶板为复合顶板，且距顶板表面6.2 m范围内含有3层岩层，各岩层之间内聚力较低，层间粘结性较差，且围岩内部裂隙发育，而距顶板表面6.2 m以上的粉砂岩围岩完整性相对较好，具有较高的强度。在巷道原支护方案中锚杆、锚索的长度均比较短，尤其是锚索的锚固基础没有锚固在围岩强度较高的粉砂岩之中，导致其对各岩层的悬吊作用较差。

2) 巷道整体上受水平构造应力明显，顶板各岩层之间在高水平应力之下易发生水平错动，且原支护方案中锚杆、锚索的直径均比较细，抗剪切能力较弱。

3) 巷道顶板浅部围岩分布有较多的薄岩层，在掘进扰动、回采扰动的共同影响下，各岩层之间的离层现象会进一步加剧。

4) 巷道锚杆(索)的预紧力施加过小，各岩层在锚杆(索)的作用下不能紧密地进行接触，巷道围岩的力学环境得不到有效改善。

5) 巷道的直接顶和直接底均为泥岩，在顶板有淋水的情况下，直接顶和直接底的围岩易出现软化现象，导致支护难度进一步增加。

5 支护方案优化

在原支护方案的基础上，将顶锚杆间排距调整为1 m×0.9 m，两根边角锚杆与水平线夹角为75°，加强对巷道肩部的支护；帮部锚杆间排距则调整为0.9 m×0.9 m。锚杆均改为D22mm×3000mm的螺纹钢锚杆。在对锚杆预紧力施加的过程中，将原来的55kN提高至80kN。顶板锚索改为三二支护，即第一排在距巷中线左右1.8m处分别布置一根，在巷中布置一根，第二排在距巷中线左右0.9m处分别布置一根，以此循环。锚索采用D19.6mm×7000mm的钢绞线，预紧力则由120kN提高至160kN。若掘进至顶板淋水较大的区域，则巷道支护完毕后随即对其表面喷射混凝土，对围岩强度做进一步的补强，同时防止淋水对围岩造成侵蚀。优化后的巷道断面支护如图2所示。

6 现场监测

巷道采用优化方案支护后对其围岩变形进行了为期30 d的现场监测，优化前和优化后的围岩变形随监测时间的变化曲线对比如图3所示。

图3 巷道围岩变形随监测时间的变化曲线

从图3可以看出，在原支护方案下巷道围岩在为期30 d的监测时间里变形量较大，其中两帮移近量达到了248 mm，顶底板收敛量达到了303 mm，当巷道采用优化方案治理后，两帮移近量减小至81 mm，顶底板收敛量减小至44 mm，与优化前相比，分别减少了67.3%和85.5%，由此可见优化方案对巷道围岩稳定性的控制效果显著。

7 结 语

1) 11103回风巷顶板为复合顶板，6.2 m范围内围岩强度较低且层间粘聚力较弱，巷道整体受水平构造应力明显，再加上支护强度较低，顶底板泥岩易吸水软化，在这些因素的共同作用下，该巷道破坏严重。

2) 针对巷道破坏原因，对原支护方案进行了相应的优化，经工程监测结果表明，在该优化方案的综合治理下巷道围岩稳定性得到了较大改善。