厚煤层软弱顶板巷道围岩控制技术研究

申少波

（晋煤集团赵庄煤业，山西 长治 046600）

近年来，随着综合机械化开采效率的提高、大采高开采的广泛应用，厚煤层、大断面的巷道成为安全高效矿井追求产量的关键。但由于矿井开采深度加大，地质条件日趋复杂，厚煤层软弱顶板矿井开采难度也越来越大。大部分软弱顶板巷道煤层酥软、破碎，给巷道支护带来极大困难，若措施采取不到位，极易发生片帮、冒顶等灾害，严重影响矿井安全生产。因此需对厚煤层软弱顶板巷道围岩控制技术开展研究，确保掘进巷道正常使用、采煤工作面正常回采[1]。

1 工程概况

赵庄煤业W13111 胶带顺槽设计长度为522 m，巷道为矩形断面，断面5.6×4.5 m，净断面23.76 m2。所掘3#煤厚度为4.6～5 m，平均厚度4.75 m，煤层倾角0～8°，平均倾角5°。直接顶为1.50 m 厚黑色泥岩，基本顶为11.3 m 砂质泥岩。附近巷道对W13111 胶带顺槽掘进影响不大。巷道布置如图1 所示。

图1 巷道布置图

2 巷道围岩控制技术优化

W13111 胶带顺槽沿3#煤层底板掘进，但在掘进过程中，会出现顶板离层、巷道变形、局部片帮、煤炮响动、锚杆（索）断裂等现象。围绕软岩巷道围岩控制，提出以下解决措施。

（1）优化巷道断面

W13111 胶带顺槽泥岩顶板易风化、不稳定，随割随落，为避免泥岩顶板对巷道掘进的影响，将巷道高度控制在5.5 m 左右，断面由5.6×4.5 m 变为5.6×5.5 m。此时巷道沿顶沿底掘进，顶底为砂质泥岩，为较稳定岩层，承载力较强。若煤层厚度小于5.5 m 时，沿煤层顶底板掘进；若煤层厚度超过5.5 m 时，沿煤层顶板留底煤掘进。

（2）顶板长锚索补强

W13111 胶带顺槽巷道泥岩顶板风化、碎胀后易出现离层，因此应将顶板支护作为巷道围岩控制的关键，增大锚固范围，增强锚固体强度，提高顶板承载力[2]。

顶板原支护：每排6 根锚杆，排距为1.2m，锚杆规格为MSGLW-500 22/2400，锚固力不小于150kN，预紧力矩介于400～500Nm 之间。锚索插空每排2 根，间距2.4m，排距1.2m，型号为SKP22-1/1720-6300，一般要求锚索张拉达到350kN，预紧力损失后不小于250kN，外露长度不大于300mm。

顶板现支护：在现有顶板支护基础上，排排补强两根锚索，增大锚固范围，锚固在稳定砂质泥岩中，形成稳定锚固体[3]。

（3）帮部中空锚索

帮部原支护：帮部每帮6 根锚杆，其中4 根锚杆垂直于帮部，1 根帮角锚杆，1 根底角锚杆，间距800 mm，排距1.2 m，锚杆规格为MSGLW-500 22/2400，预紧力矩介于400～500 Nm 之间。矩形巷道开掘后，帮角、底角成为应力集中区域，在此处分别打设大角度帮角、底角单体锚杆，在支护帮部的同时，还能有效维护顶板，防止底鼓。

帮部现支护：在增大帮部锚杆间距（800 mm增加到1000 m）的同时，在两帮各布置2 根中空注浆锚索，间排距 3000×2400 mm，锚索规格为 Ф21.8×5000 mm。

（4）帮部煤体注浆

一盘区为高瓦斯区域，受瓦斯抽放影响，W13111 胶带顺槽帮部煤体酥软，强度低，裂隙发育，帮部承载力较弱，需采取注浆措施充填煤层裂隙，使帮部围岩形成整体，改善围岩应力状态，提高帮部围岩自承载力[4]。帮部注浆采用中空注浆锚索实现，注浆材料为联邦加固Ⅰ号（双液），正常注浆水灰比0.8:1，漏浆严重时可适当减低水灰比，最低控制在0.7:1，浆压力 6～8 MPa。现场施工时采用低压低流缓慢注浆工艺。当漏浆严重时，应适当降低注浆压力。

3 数值模拟分析

本数值模型基于 W13111 胶带顺槽的地质条件建立，模型尺寸100 m×100 m×20 m。对巷道附近网格进行密集划分，以保证模拟的准确性。对模型上部施加25 MPa 载荷，并约束水平方向、垂直方向位移，以此来对比分析采取围岩控制技术前后巷道围岩位移和破坏特征。

图2 巷道围岩位移和破坏特征模拟

由图2 可知，原先 W13111 胶带顺槽围岩应力基本集中在顶板、底板、帮角处，围岩破坏处在塑性区。采取围岩控制措施后，围岩基本控制在弹性区域范围内，帮角应力明显降低，顶底破坏深度减少1.3 m，降低约59%。通过围岩位移观测，顶板、帮部、底板变形量分别减少44.1 mm、253 mm、61.3 mm，降低约54%、46%、57%，有效防止了围岩破坏向深部发育，保证了巷道稳定。

4 巷道围岩观测

（1）测点布置

采用“十字布点法”监测巷道表面位移。在顶底板、两帮中心点位置各布置1 个测点，共计4 个点，确保测点位于同一水平面。通过测量顶底测点位置变化掌握顶底板移进量随时间变化的规律，测量两帮测点位置变化掌握两帮移进量随时间变化的规律。分别在W13111 胶带顺槽185 m 处与315 m处建立测站进行观测（W13111 胶带顺槽从310 m开始后期全部采用巷道围岩控制措施）。

（2）围岩位移监测分析

图3 巷道围岩监测曲线

由图3 可知，W13111 胶带顺槽巷道围岩变形随时间增加而逐渐变大。采取围岩控制措施后，顶板下沉量、两帮移进量、底鼓量在0～60 d 内呈线性增长关系，在60 d 左右达到稳定值，而后随着时间推移基本无变化。顶板下沉量最大值为72 mm，较优化前减少53 mm，降低约42%；两帮移近量最大值为130 mm，较优化前减少340 mm，降低约72%；底鼓量最大值为80 mm，较优化前减少95 mm，降低约54%。巷道变形主要以两帮变形量为主，顶板下沉量和底鼓量不大，巷道围岩完整性良好。

5 结论

针对赵庄煤业厚煤层软弱顶板巷道支护效果差的问题，采取优化巷道断面、改变掘进方式、顶板长锚索补强、帮部中空锚索注浆等围岩控制技术措施后，顶板下沉量、两帮移近量、底鼓量较优化前分别降低约42%、72%、54%，巷道变形主要以两帮变形量为主，基本控制在130 mm 以内，顶板下沉量和底鼓量控制在80 mm 以内，巷道围岩完整性良好。