古书院矿软煤易泥化围岩超高巷道支护技术研究

郑剑飞

（山西晋煤集团晟泰能源投资有限公司，山西 晋城 048000）

1 工程概况

古书院矿15#煤西三盘区水仓将服务于西三盘区，根据现场条件及水仓的使用需要，水仓原设计在煤层底板中，留顶煤掘进，但15#煤松软破碎，难以留设顶煤，只能采用沿顶、起底方式掘进水仓，从而造成水仓超高。水仓原设计高度6.6 m，施工分两次进行，首先掘进平巷（宽×高=4.0 m×2.6 m），随后再起底掘进，最终巷道断面可达到26.4 m2。

已有地质资料显示，15#煤平均厚度2.6 m，底板为平均5.12 m 的泥岩、铝土质泥岩，含有大量以高岭石为主的粘土，遇水容易膨胀变形。掘进的超高巷道作为水仓常年积水，巷道所处围岩岩性条件对围岩稳定性造成显著不利影响。为确保西三盘区水仓的正常使用，必须采取有效措施对西三盘区水仓超高巷道支护进行研究。

2 巷道围岩控制难点分析

2.1 模拟分析

为研究软煤岩超高巷道围岩的变形破坏特征，根据西三盘区水仓实际地质条件建立数值模拟模型，采用数值模拟研究超高巷道的围岩破坏特征。岩性力学参数见表1。

2.1.1 围岩应力分布

水仓掘进后围岩应力分布如图1。掘进后巷道围岩应力沿巷道轴线呈对称分布，其中垂直应力、水平应力分别在巷帮侧、顶底板附近集中，应力集中系数最大可达1.7。

2.1.2 塑性区分布

水仓掘进后围岩塑性区分布如图2，水仓掘进后受围岩应力重新分布影响，在巷帮及底板位置塑性区分别为5.0 m、1.0 m。围岩变形破坏主要为拉伸、剪切破坏，集中在巷道中部及偏上部分。

表1 围岩力学参数

图1 水仓开挖后应力分布图

图2 围岩塑性区分布图

2.1.3 围岩变形

水仓掘进后围岩变形情况如图4。超高巷道围岩变形以底鼓、巷帮收敛为主，变形量分别为230.5 mm、680 mm，在巷帮收敛变形中从上到下巷帮变形量逐渐降低，机尾上部变形量最大，下部变形量最小。

从模拟结果看出，水仓掘进后围岩控制重点是巷帮以及底板变形控制，其中巷帮控制重点在中上位置的围岩变形控制。

2.2 围岩控制存在问题分析

根据已有地质资料可知，该处巷道底板为富含高岭石的泥岩，遇水易泥化，并含有少量膨胀性软岩；两帮上部煤层岩性较弱，强度低。另外，该巷道为超高巷道，两帮高度大，两帮变形以剪切破坏为主，破坏位置处于中部及偏上位置[1]。在顶板压力作用下，底板容易发生应力型底鼓[2-3]。

综上所述，该处巷道控制的关键是封水、固帮、强底，而水仓巷道内常年积水，必须对两帮、底板遇水易泥化岩层采取封闭进水通道的措施[4]；针对应力型底鼓，两帮破坏容易导致底鼓的现象，提出顶帮底协调支护的控制方式[5]；对软弱的超高两帮采取加强中部及其偏上位置的支护，增加两帮承载范围和自承能力。

图3 围岩变形云图

3 三盘区水仓锚杆支护设计

三盘区水仓掘进实际高度为7～8 m，部分区域高度达到10 m，巷道掘进分两次成巷，先平掘煤巷（宽4.0 m，高2.6 m），之后起底（宽4.0 m，高4～6 m）。

3.1 水仓一次掘巷支护设计

采用规格为Ф20 mm×2.0 m 螺纹钢锚杆按1000 mm×1000 mm 间、排距布置，顶板、巷帮每排分别为4 根、2 根，预紧力矩≥300 N·m。采用钢筋托梁、经纬网护顶。

支护采用的锚索规格为15.24 mm×5400 mm，顶板、巷帮中间分别按排距3000 mm、1000 mm 布置锚索；锚索采用平托板（300 mm×300 mm×16 mm）护顶及护巷，施加的锚索预紧力≥150 kN。

支护完毕后巷帮要进行喷浆封闭，喷层厚度不小于100 mm[6]。三盘区水仓一次掘巷锚杆支护布置如图4。

图4 水仓一次掘巷支护设计图

3.2 水仓二次掘巷支护设计

3.2.1 巷帮支护

采用规格为Ф20 mm×2.0 m 螺纹钢锚杆按1000 mm×1000 mm 在巷帮布置，预紧力矩≥300 N·m。采用钢筋托梁、经纬网护帮。

采用规格为Ф15.24 mm×5400 mm 锚索按2000 mm×1000 mm 在巷帮布置。锚索采用平托板（300 mm×300 mm×16 mm）护顶及护巷，施加的锚索预紧力≥150 kN。

支护完毕后巷帮要进行喷浆封闭，喷层厚度不小于100 mm。

3.2.2 底板支护

采用规格为Ф22 mm×8300 mm 锚索按1400 mm ×2000 mm 间排距在底板布置，两侧锚索外插15°，中间锚索垂直底板，并铺设钢筋网（规格为2100 mm×1100 mm）护底。注浆前张拉锚索，预紧力≥250 kN。

注浆采用水灰比0.6:1～1:1 水泥浆，注浆终止压力为4～6 MPa。在水泥量中添加占比8%～10%（质量比）的XPM 添加剂用量，改善水泥浆性能。

施工完毕后必须要进行硬化，硬化厚度不小于200 mm，硬化强度C20。三盘区水仓二次掘巷锚杆支护布置如图5。

图5 水仓二次掘巷支护设计图

4 支护效果

水仓施工完毕后，布置测站对巷道位移进行监测，具体结果如图6。巷道支护完成后顶板、巷帮、底鼓变形量最大值分别为15 mm、30 mm、21 mm，围岩变形量整体较小。围岩变形量以顶底板变形为主，其中底鼓量占比约占顶底板变形量的63%；巷帮变形量中上部位置变形较为明显，上部位置变形量较下部位置变形量普遍大10%～30%。总体来说，超高巷道围岩变形量较小，可以满足水仓后续使用需要。

图6 巷道表面位移监测曲线

5 结论

（1）根据15#煤西三盘区水仓所在区域岩性特征并结合数值模拟和理论分析结果，巷道围岩破坏类型主要为拉伸、剪切破坏，集中在巷道中部及偏上部分；巷道变形主要为底鼓及巷帮收敛，其中巷帮上部收敛量最大。

（2）根据围岩破坏、变形特征，提出采用以高强锚杆（索）+底板注浆+表层喷浆为核心的围岩支护技术；通过对巷道顶、帮、底进行整体支护，避免局部破坏引起巷道的整体破坏；通过表层喷浆避免水仓积水对松软围岩强度造成影响。

（3）现场观测顶板、巷帮、底鼓变形量最大值分别为15 mm、30 mm、21 mm，围岩变形量整体较小，表明支护方案可有效对软煤易泥化围岩超高巷道变形进行控制。