泥岩顶底板回采巷道变形特征及支护技术

张振国

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西 方山 033100）

综合机械化走向长壁工作面为现今最普遍运用的采煤方式，该开采方式要求掘进三条巷道，巷道围岩稳定是保证井工开采正常生产的技术保障。由于煤层所处层位结构复杂，顶底板岩性的条件千差万别，地质构造、顶板淋水、风化带、火成岩侵入、岩性软弱等恶劣的地质条件均会导致巷道支护困难且变形量大，需反复维修。木瓜煤矿10-102 工作面煤层顶底板均为软弱泥岩，掘进和回采过程中巷道两帮鼓出、顶底板移近等变形严重，需要反复维修，工程量大，严重影响了煤矿的正常生产[1-4]。

1 概况

霍州煤电吕梁公司木瓜煤矿10-102 工作面位于一采区，地面标高+1125～ +1335 m，井下标高+927～ +988 m，所采煤层为10 号煤。该煤层属于半亮型焦煤，均厚2.95 m，厚度变化较小，煤层倾角4°～8°，平均6°。煤层顶底板岩性如图1。

图1 33423 工作面顶底板岩性

10-1021 巷为运输巷，巷道断面为矩形，规格为4.8 m×3.1 m（宽×高），采用锚网支护，原支护方案如图2。

图2 原回采巷道支护设计

2 软岩巷道变形特征及原因

2.1 变形特征分析

（1）巷道变形量大

成巷后的一段观测周期内，巷道的表面位移包括顶板下沉、底鼓和两帮收敛等都相对较大，部分地段巷道顶板离层严重，观测到的最大离层量达290 mm，底鼓达到350 mm。巷道两帮收敛量与顶底板移近量几乎相同。

（2）巷道变形具有阶段性

对临近工作面回采巷道进行巷道表面位移观测显示，成巷后的不同时期巷道的变形不同。开挖初期，巷道变形速率较高，监测显示，成巷卸荷后顶底板的移近速度最大可达10 mm/d。随后巷道变形速率逐渐降低，最后保持一定的速度流变，持续时间较长。进入工作面超前支承压力影响范围之后，又有一次较大的增长。

（3）锚杆索破坏失效严重

由于巷道变形严重，顶部及两帮的锚杆索等均发生破坏。局部地段顶板下沉量大，锚杆被拉出，托盘出现明显外翻，菱形网严重变形，网丝断裂失去作用；巷道两帮的梯子梁由于巷道鼓帮严重发生破断。如图3。

图3 锚杆索破断图

2.2 原因分析

分析认为，10-1021 巷变形严重的原因主要有以下几个方面：

（1）围岩力学性质差

巷道的直接顶和直接底均为泥岩，并且基本底为砂质泥岩或者泥岩，力学性质较差，岩石内节理裂隙发育，抗压强度低，承载能力差，难以形成稳定的承载结构。

（2）帮锚杆选材不合理

10-1021 巷帮锚杆采用Ф16 mm×1500 mm 的圆钢麻花锚杆，不适用于大变形的软岩巷道。

（3）顶锚杆索角度设置不合理

所有的顶锚杆和锚索均是垂直巷道顶板布置，顶板发生离层之后，锚杆索同步下沉变形，容易拉断或者失效。

2.3 改进方向

（1）改进支护系统

传统的锚杆索支护采用的是悬吊理论，一般锚索都是单体锚索布置，作用机理是将下方岩石悬吊在上方稳定的岩层中，但该方法对软岩巷道不适用。

（2）采用高强度锚杆索

（3）加固顶角等关键部位

目前我国巷道支护缺少对两帮与顶板交角处的控制，通过巷道角部的控制，可以有效提高破碎区围岩的强度，阻止塑性区向深部发展，有利于维护巷道稳定。

3 软岩巷道变形控制技术

3.1 桁架锚索支护原理

针对10-1021 泥岩顶底板回采巷道中出现的问题，为提高支护效果，保证巷道的稳定性，需改变支护系统的结构，采用高强度的锚杆索，同时对顶角等关键部位加强支护。为此，决定采用锚索桁架对泥岩巷道顶板进行支护，系统结构及原理如图4[5]。

图4 锚索桁架支护原理

与之前采用的单体锚索相比，锚索桁架具有以下优点。

（1）与单体锚索与顶板的点接触不同，该系统与顶板的接触为线接触，作用区域更大，对松散破碎顶板具有良好的支护效果。

（2）连接到一起的两根锚索可以对巷道直接顶施加水平预拉力，从而改善巷道顶板的受力状态，避免了巷道中下部由于顶板弯曲下沉产生的拉应力区，可以大大减轻巷道的破坏程度。

（3）由于该系统锚固到了巷道煤帮上方的稳定岩层中，当顶板压力大于锚索桁架的承受能力时，随着顶板的下沉，深部锚固点向巷道上方移动，两个锚索形成闭锁结构，增强了支护系统的稳定性。

3.2 支护方案设计

在数值模拟和工程类比的基础上，确定10-1021 巷泥岩顶底板回采巷道的锚索桁架支护方案如图5。

(1)划分关注区域(AOI)。按照综合五人热点图的结果，页面12选取其中标题、中间位置的零件照片、中间位置零件的电路符号周围一小圈的三个封闭区域作为关注区域，见图1(a)；页面14选取其中标题、电器元件三维图、左侧电路中开关符号、卡通形象周围一小圈的四个封闭区域作为关注区域，见图1(b)。

图 5 锚索桁架支护方案

（1）顶板支护

顶板采用Ф20 mm×2800 mm 的高强螺纹钢锚杆，抗拉强度不低于450 MPa，支护强度不低于0.24 MPa，锚杆间排距为800 mm×1100 mm，每根锚杆配两卷Z2360 树脂锚固剂加长锚固，靠近巷道两帮的锚杆向两帮方向倾斜20°，每排锚杆用W钢带连接，钢带的规格为4400 mm×100 mm×5 mm（长×宽×厚）。

（2）锚索支护

采用锚索桁架支护，两根Ф18.9 mm×7700 mm 的锚索通过专用连接器连接到一起，锚索间排距为2200 mm×2200 mm。每根锚索配三根Z2360树脂药卷锚固。锚索桁架要求锚固点为巷道顶板上方坚硬稳定的岩层，为此锚索角度为向巷道两帮倾斜20°。

（3）帮锚杆

非回采帮采用Φ18 mm×2000 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每根锚杆配一卷Z2360 树脂锚固剂，预紧扭矩不低于120 N·m，每排三根，间排距为1100 mm×1100 mm。

3.3 应用效果

掘巷之后，在巷道内设置测站对10-1021 巷的巷道表面位移和顶板离层进行监测，其中三号测站的顶板下沉量和两帮移近量的监测结果如图6。

图6 三号测站巷道表面位移观测结果

由监测结果可知，与原巷道支护方案相比，加强支护后的巷道表面位移也分为三个阶段，但变形速率和变形量有大幅减少，最大变形速率为2 m/d，集中在成巷后的7 d 之内，巷道稳定后的顶板下沉量为115 mm，两帮移近量为95 mm，完全能够满足工作面正常回采的需要。

另安设的巷道顶板离层仪的观测表明，深部最大离层值为10 mm，浅部最大离层值为4 mm，且顶板无冒顶，顶板网兜数量也大幅减小。

4 结论

（1）10-1021 巷泥岩顶底板巷道的变形具有阶段性，变形量大，锚杆索发生破断，主要原因是围岩软弱以及支护设计不合理。

（2）锚索桁架可以显著改变巷道顶板围岩的受力状态，锚固点稳定，适用于大变形软岩巷道。

（3）木瓜矿10-1021 巷的支护实践表明，锚索桁架对泥岩顶底板巷道具有较好的控制效果，可为类似工作面的巷道支护提供参考。