30100运输顺槽变形破坏机理及围岩控制探析

2021-01-10刘浩

山西化工 2020年6期

刘浩

(山西晋煤集团金明矿业有限责任公司，山西晋城 048006)

1 工程概况

晋煤集团金明矿业公司30100运输顺槽用于3#煤层30100工作面运输、进风及行人。30100工作面布置于集中辅运大巷南侧，巷道埋深在750 m～762 m，巷道沿顶板掘进。3#煤层位于山西组中下部，稳定可采,煤层平均厚度4.85 m(最大5.8 m、最小3.9 m),煤层平均倾角4°(最大8°、最小0°)；黑色，似金属光泽，以半亮型煤为主，少量为光亮型煤和半暗型煤，普氏硬度1～2。煤层顶板：砂质泥岩、细砂岩、粉砂岩，易脱落离层。煤层底板：粉砂岩、泥岩。原顺槽设计为楔形断面，沿顶板留底煤掘进。

巷道采用锚网喷支护，原锚杆支护各项参数,如表1所示。在原支护条件下，运输顺槽出现了较为严重的变形破坏，给顺槽正常使用带来了较大的威胁。

表1 巷道原锚杆支护参数

2 30100运输顺槽变形破坏特征

首先，顶板围岩出现了较为明显的变形破坏。从现场勘查情况来看，顶板下沉量非常大，可达到500 mm～1 150 mm，且出现了较大离层，锚固范围内岩体和锚固区之外的岩体出现了较为明显的滑动、离层问题，在巷道掘进时，巷道顶板变形较大，出现较大面积的冒漏问题。变形情况如第137页图1a)所示。

其次，巷道两帮收敛明显。从现场勘查情况来看，帮部煤岩体出现了明显扩容，“破网”“网兜”情况较多，帮部突出量可达到500 mm～900 mm，特别是在压力较大的区域，溃帮、片帮的情况非常严重。如第137页图1b)所示。在巷道的两底角、两顶角位置出现的破坏明显，形成了较多的“倒梯形”“V形”。同时，在现场勘查中发现，很多锚杆整体移出，这表明，锚杆已经破断，支护效果下降明显。

第三，巷道底鼓量大。从现场勘查情况来看，底鼓量占到顶底板移近量的2/3，如第137页图1c)所示。在底鼓量较为严重的位置，底板上铺设的混凝土出现开裂，支柱、胶带等出现严重倾斜，导致巷道完全失去功能。

3 顶板岩性探测和两帮松动圈测试

为更为深入的掌握30100运输顺槽变形破坏的原因，选择使用顶板岩性探测和两帮松动圈测试的方式，对顺槽出现的变形情况进行探测。

1) 顶板岩性探测。在顶板位置设计多个钻孔采用钻孔探测记录仪对顺槽顶板进行岩性探测，得到不同深度下钻孔窥探结果，如第137页图2所示。通过图2可知，在小于0.8 m的范围内，顺槽顶板岩层有着明显的裂隙发育，围岩整体的破碎较为严重。在0.8 m～6.3 m和6.5 m～9.5 m的范围内，顺槽顶板节理裂隙相对偏少，围岩完整性也相对较好。

图1 30100运输顺槽围岩变形破坏图

图2 不同深度钻孔窥探图

2) 选择使用BA-2型围岩松动圈测试仪对顺槽两帮开展了松动圈测试，分2组，每组4个，在巷道两帮中间偏上与偏下位置，各对称布置2个测点，每个断面4个测点，共设置8个测点，探测深度设计为5 m，图3为位测点布置示意图，表2为松动圈探测结果。

图3 测点布置示意图

根据表2可知，巷道两帮范围内形成较大的松动圈，特别是与距离掘进头50 m相比，距离100 m的位置，松动圈的范围更大，这表明巷道围岩长时间处于流变状态，同时，顺槽两帮上部出现的松动圈的范围超过了下部松动圈的范围。

表2 30100运输顺槽松动圈范围探测结果单位：m

4 30100运输顺槽变形破坏机理

1) 围岩节理裂隙发育明显，整体承载能力偏低。顺槽所处位置煤层煤质相对偏软，在顶板岩层中有着较多的节理裂隙，承载性能较差。在顺槽开外之后，集中压力影响明显，导致裂隙进一步延展，围岩强度下降更为明显，巷道围岩变形增加。

2) 地质构造影响明显。由于受到局部地质构造影响，巷道两帮与顶板剪应力作用明显，导致岩体内本已经节理裂隙较多，在外部地质构造作用下，岩体裂隙进一步扩张，顺槽在支护时，也存在支护不及时的问题，顶板围岩出现局部冒落，形成了较多的“网兜”，顶板平整性较差。

3) 水理作用明显。因为受到开采扰动影响，浅部裂隙逐步向深部围岩扩展，上部含水层被导通，导致两帮上部与顶板出现了局部淋水问题，围岩承载能力弱化明显，围岩变形进一步扩大。

4) 巷道围岩和支护体之间不耦合问题突出。在原有支护设计下，围岩表层出现了较大的移近量，原有的锚网喷支护结构与围岩强度严重不耦合，整体支护强度偏低，巷道围岩出现的过量变形不能得到锚网喷支护体的有效控制，导致围岩进入到进一步损伤的状态，参与强度下降明显。

5 30100运输顺槽返修支护设计

充分考虑30100运输顺槽出现的支护控制困难、围岩变形量较大等问题，根据松动圈测试与岩性探测的结果，坚持深部巷道支护“适度让压”与“强化支护”相结合的耦合支护理念，本次返修支护设计采用了“锚杆+锚索+钢筋网+W钢带+槽钢”复合支护方案[4]。

首先，锚杆支护可将浅部围岩承载能力较好提升，锚索支护不仅可有效提升围岩承载能力，同时也能够调动深部稳定围岩对浅部围岩的限制作用，实现支护体和围岩之间的强度耦合。

根据岩性测试结果，顶板完整性相对较好的岩层已经超过了6 m，因此，为了将深部稳定围岩的支护作用较好发挥出来，本次设计锚索长度为7.5 m。同时，根据两帮围岩松动圈的测试，局部松动圈的范围达到了2.7 m，平均超过了2.3 m，原有支护选择的锚杆长度为2.2 m，因此，为了更好将锚杆的锚固性能发挥出来，本次返修设计采用2.4 m的锚杆，同时，增加锚杆的支护密度，间排距为800 mm×800 mm。为了增强锚杆、锚索的延伸率，在锚杆、锚索支护过程中，选择使用了让压环，锚索托盘设计采用了木托盘。

其次，对顶板与两帮的锚杆均选择使用W钢带，并对顶板的锚索选择使用槽钢进行连接，在巷道顶板与两帮形成组合梁整体结构，降低锚索、锚杆出现破断的概率，形成围岩和支护体之间的刚度耦合。

第三，端部托盘。在锚索托盘内部使用木托盘的基础上，外部增加铁托盘，形成复合托盘结构，预留出一定的柔性变形空间，对于围岩变形能较好吸收，防止围岩表面应力集中而给整个巷道壁带来破坏。

第四，网片结构。原支护条件下顶板、两帮出现了较多“网兜”的情况，分析原因为原支护条件下网片刚度相对较低。因此，将原支护中使用的棱形铁丝网优化为高强度钢筋网，增强网片结构和锚杆、锚索之间的组合能力，更好提升支护刚度。返修支护示意图，如图4所示。