薄煤层半煤岩巷围岩控制支护技术研究

2021-06-05王磊

山东煤炭科技 2021年5期

王磊

（山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司慈林山煤矿，山西长子 046605）

由于矿井优先开采赋存较好的煤层，因此对薄煤层的研究工作相对较少，对薄煤层巷道支护研究不重视，支护施工过程中存在参数设计不合理、施工质量不达标等问题，使得巷道围岩控制效果不理想，巷道后期返修工程量和成本较高。针对薄煤层巷道的稳定与控制，专家学者前期取得了一定的研究成果[1-4]，为薄煤层软弱煤岩体控制原理与技术研究提供了研究基础。

本文基于对慈林山9107 运输巷变形破坏原因的分析，提出了围岩变形控制技术要点，并结合巷道围岩条件设计了支护参数。现场应用结果表明，经过锚索+穿层锚杆补强后，有效控制了巷道变形破坏，成功地抑制了巷道片帮，巷道变形量在可控范围内，保障了回采巷道服务期间的正常使用。

1 工程背景

1.1 9107 运输巷地质条件

9107 运输巷位于井田北翼一盘区，设计沿9#煤层顶板东西向掘进，长度为1422 m，巷道断面为4.6 m×2.4 m，用于承担9107 工作面的进风、运输、行人等任务。9#煤层平均埋深为310 m，煤层厚度0～1.98 m，平均厚度1.6 m，煤层倾角2°，属于近水平薄煤层。直接顶为泥岩，平均厚度2.4 m；基本顶为粉砂岩，平均厚度为5.6 m；底板为砂质泥岩，平均厚度3.2 m。根据物探资料显示，该巷道在掘进区域内无大的陷落柱和大的断层等地质构造。巷道掘进过程中，随煤层倾伏变化巷道的角度变化较小。工作面布置示意图如图1。

图1 工作面布置示意图

1.2 9107 运输巷原支护情况

9107 运输巷断面形状为矩形，巷道宽4.6 m，高2.4 m，采用钻爆法破底掘进施工。原支护形式为锚杆支护，顶板选用型号Φ20 mm×L2000 mm高强锚杆，间排距800 mm×800 mm；帮部选用型号Φ18 mm×2000 mm 玻璃钢锚杆支护，间排距900 mm×800 mm。巷道原支护方案如图2。

由于巷道围岩较为松软破碎，同时半煤岩巷存在煤岩交界面，在原支护方案下，掘进工作面推进50 m 后，后方巷道变形显著，顶板明显下沉，同时帮部玻璃钢锚杆发生脱锚现象（如图3），片帮严重，威胁工作面人员、设备安全。

图2 巷道原支护方案

图3 巷帮玻璃钢锚杆脱锚

2 薄煤层软岩巷道围岩变形控制技术

2.1 巷道变形原因分析

（1）巷道顶底板力学性能差，松软破碎。煤层顶、底板的岩性主要为泥岩，岩石力学强度较低，受扰动易变形破坏。同时由于岩体由黏土矿物组成，因而遇水易膨胀、崩解，且易风化。

（2）顶板赋存砂岩含水层。据钻孔揭露情况，巷道赋存较大范围的顶板砂岩含水层。受顶板淋水影响，加之围岩较为破碎，锚杆等支护构件易受水侵蚀破坏，同时泥岩顶板遇水泥化崩解，支护系统稳定性较差。

（3）煤层厚度波动不定。受煤层厚度变化影响，半煤岩巷道围岩结构不稳定，围岩岩性复杂多变。巷道施工过程可能会遇到全煤、半煤岩和全岩等断面情况，岩性大幅波动为巷道支护设计与施工带来了阻碍。

2.2 围岩变形控制技术及支护参数

针对9107 巷道围岩松软破碎且存在煤岩交界面这一条件，为控制围岩变形，提出采用锚杆索补强围岩控制技术保障巷道稳定，可实现改善巷道围岩承载性能、增强煤岩体整体完整性、抑制巷道变形的效果。

2.2.1 支护原理

（1）发挥巷道深部稳定岩体的承载能力，强化锚索支护作用。在对巷道进行支护时，可充分利用两肩和两窝应力集中压缩区稳定岩体的承载力。

（2）改善支护结构与围岩的变形协调性，实现高阻柔性支护。半煤岩巷道的变形呈不均匀特征，应在变形初期适当考虑让压，并及时实现高刚度阻力支护，避免产生大量有害变形。这就要求支护结构与煤岩体具有较好的协调性，即支护结构应具有让压性和高阻性。

（3）提高巷道围岩的整体稳定性，使巷道全断面变形在可控范围之内。为保证整个巷道断面煤岩体的稳定，应遵守强力控顶、帮部抗剪的原则。一方面要注意保证顶板的稳定性，避免由于覆岩离层引起的帮部承受载荷过高，进而引起帮部变形显著。若巷帮变形量较大，会出现顶板下沉空间，将无法避免顶板下沉破坏。可通过在顶板布置高预紧力锚索实现强力控顶。另一方面需注意控制煤岩结构面剪切滑移。可通过布置穿层高强锚杆以控制层间滑移，抑制半煤岩巷道的不均匀或局部变形，保障巷道围岩结构的稳定性。

（4）增大锚杆索托盘尺寸，增大护表面积，提高帮部侧向支护阻力。通过采用大尺寸垫板，配合槽钢或钢带支护，增加巷道表面的护表面积，充分发挥出预紧作用。

（5）提高托盘等护表结构的材料刚度。若托盘强度不够，无法施加高预紧力，通过选用优质高强度钢材制成的托盘，使穿层锚杆在煤岩交界面处具有高锚固力，从而有效抑制煤岩层间的剪切滑移。

（6）注意发挥巷道两肩深窝的承载能力。巷道开掘后围岩应力状态重新分布，本质是应力释放和转移。由于两帮煤体承担上覆岩层载荷，因此会在巷道肩窝位置产生应力压缩区（图4）。该区域应力高度集中，围岩在压应力作用下形成一个较为稳定的区域，若将锚索的锚固位置设在此区域可实现良好的支护效果。巷道底板的两帮煤体下方也有应力集中区域。针对巷道围岩力学状态分布特征，可布置倾斜锚索实现围岩的深层锚固。

图4 半煤岩巷围岩控制原理

2.2.2 支护参数优化

根据9107 运输巷巷道围岩条件，结合巷道原支护参数，综合上述分析与工程类比，确定了薄煤层半煤岩巷围岩变形控制方案及技术参数，如图5。

补强锚索选用Φ21.6 mm×L4000 mm 的普通锚索，顶板垂直布置三根，间排距2 000 mm×2000 mm；顶底板两侧肩窝各布置一根斜拉锚索，与垂直方向的夹角为60°。穿层锚杆选用型号为Φ20 mm×L2000 mm 的高强锚杆，与水平方向夹角为30°。

图5 巷道补强支护方案

3 现场应用效果

采取锚索补强+穿层锚杆控制技术对原支护方案进行优化后，围岩结构完整性及承载能力被改善加强，能够抑制顶板下沉及煤岩交界面滑移错动。为验证支护效果，对巷道围岩变形情况进行了观测分析，巷道变形情况如图6。

由图6 可知：巷道的顶板下沉量、两帮移近量、底鼓量在巷道掘进初期快速增加，当掘进工作面向前推进至大概50 m 远时，巷道围岩的变形速率开始逐渐减小，变形趋于稳定。最终，巷道两帮移近量达100 mm，顶板下沉量达87 mm，底鼓量达17 mm，表明采取锚索补强+穿层锚杆控制技术后能够有效对巷道围岩进行加固，改善了围岩承载性能，抑制巷道围岩变形破坏，保证了巷道服务期间的通畅。