煌斑岩侵入下巷道支护技术研究

刘振华

（晋能控股煤业集团同发东周窑煤业有限公司，山西 大同037100）

0 引 言

岩浆是一种高温炽热的粘稠状硅酸盐熔融体，炽热岩浆侵入地壳一定深度后缓慢冷却形成的岩石称为多为煌斑岩。煤层被岩浆侵入后，原煤在高温烘烤和侵蚀的作用下，其物理化学性质发生变化，形成含有煌斑岩、混煤和硅化煤等混合成分的复杂结构。

在全煤巷道中，受煌斑岩侵入影响，顶板裂隙发育，强度低且易破碎，导致锚杆（索）的锚固能力差，容易诱发冒顶等安全事故。本文以同发东周窑煤业受煌斑岩侵入的5100 回风顺槽为工程背景，通过室内力学实验得到了现场煤岩体的物理力学参数，并结合对现场巷道围岩变形破坏特征的分析，针对性提出了支护优化方案，有效控制了巷道的变形，为类似工程条件提供了参考。

1 工程概况

同发东周窑煤业5100 回风顺槽布置在4 号煤层，根据邻近钻孔资料及掘进巷道揭露，山4 号煤层厚度为2.67～8.58 m，平均6.09 m。煤层结构复杂，受煌斑岩侵入的影响，含夹矸1～5 层，夹矸最大厚度1.93 m，最小厚度0.23 m，岩性多为砂质泥岩、炭质泥岩，次为粘土质泥岩、泥岩。煤层倾角1°～4°，平均2.5°。

在掘进过程中，5100 回风顺槽受煌斑岩侵入段围岩变形严重，甚至出现锚杆（索）断裂的现象，极易发生冒顶事故，对矿井安全生产造成了严重影响。经分析，锚杆断裂位置大多位于锚杆中下部，锚索断裂位置多位于杆尾锁具及让压环位置，锚杆破断存在拉伸破断、剪切破断两种情况，锚索主要表现为剪切破断。为保证巷道的稳定性，需对支护方案进行优化设计。

2 巷道围岩变性破坏特征

煌斑岩侵入煤层主要有3 种形态，分别为局部煌斑岩侵入、单层煌斑岩侵入及多层煌斑岩侵入，其中单层煌斑岩侵入为东周窑煤业的主要侵入方式。单层煌斑岩侵入后，在煤层倾角较小时，侵入层会沿层面展开，在顶板上方形成一个软弱夹层，将原本完整的煤层水平分离。巷道开挖后，受采动影响，侵入层下的浅部煤层很容易与上部岩体分离而垮落，顶板承载能力降低，若不及时控制，极易出现由下而上的逐层垮落破坏现象，这也是导致5100 回风顺槽锚杆（索）破断的主要原因，其破坏模式如图1 所示。

图1 单层煌斑岩侵入下巷道破坏模式

为获得煌斑岩侵入范围内外煤岩体的真实力学强度，现场挑选大块煤岩体，在室内加工成标准岩石力学试件，并进行单轴压缩试验和巴西劈裂试验，测试结果见表1。

表1 煤岩体物理力学实验结果

根据表1 可知，在煌斑岩侵入的影响下，原煤硅化易碎，较侵入前的原煤体，弹性模量下降了73.7%，抗拉强度下降了33.3%，粘聚力下降了54.2%，内摩擦角下降了29.0%，泊松比变化量不大。由此可见，受高温烘烤、侵蚀影响，煤体燃烧变质，内部裂隙发育程度大幅增加，煤体强度也随之大幅度降低从而变得破碎松软，在采掘应力扰动的作用下，煌斑岩侵入段巷道围岩的变形量将不断增大。

3 巷道稳定性控制技术研究

3.1 锚杆长度的确定

通过对现场巷道围岩冒落情况的观察发现，有部分锚杆存在脱落现象，说明由于围岩破碎，锚杆的锚固段位于冒落高度范围内，或锚固段部分位于冒顶高度内。锚杆的锚固段深度不足，未能完全锚固在具有承载能力的围岩结构内，致使锚杆无法控制顶板浅部离层，并逐渐超出了锚索的承载能力，顶板沿层移动并冒落，因此出现了锚杆的拉伸破断、剪切破断及锚索的剪切破断现象。

为确定出合理的锚杆长度，采用有限元数值模拟软件ANSYS，根据4 号煤层实际的顶底板柱状图建立了计算模型，将由实验得出的煤岩体物理力学参数带入到模型中，经模拟计算得出围岩摩尔库伦安全系数S，如图2 所示。

图2 5100 回风顺槽围岩稳定性分区

根据模拟结果及摩尔库伦安全系数，对巷道围岩的稳定性进行了分区，分别为破碎区、稳定区及安全稳定区。

1）A、B、C 区为破碎区，其安全系数S≤1.0，根据模拟结果，巷道周围出现了破碎圈，破碎的最大深度为1.3m 左右。

2）D 区为稳定区，其安全系数S 在1.0 和1.2 之间，虽然属于稳定圈，但随着时间推移，仍会发生变形，长期稳定性较差，此区域的最大深度为1.7m 左右。

3）E 区为安全稳定区，安全系数S 大于1.2，该区域及区域外的围岩长期稳定性较好，且强度较高。因此为了使锚杆能够锚固在稳固岩层中，锚杆的长度应在2 000 mm 至2 200 mm 之间，并保证稳固在稳定岩层中的锚固段长度不低于700 mm。

通过上述分析，为确保锚杆锚固段全部锚固在稳定岩层中，锚杆长度确定为2 400 mm。

3.2 锚杆预紧力的确定

锚杆的预紧力是控制顶板早期变形的关键作用力，可以压实破碎区的浮煤及矸石，减小顶板拉应力来控制离层现象的发生。在模拟中锚杆长度设为2 200 mm，锚杆间排距设为900 mm×920 mm，对比分析不同预紧力下顶板的稳定状态，以此确定出合理的锚杆预紧力。

1）锚杆预紧力为10～20 kN 时，巷道顶板的拉应力分布范围较大，在顶板上方0.7～1.5 m 范围内有几处离层现象出现。

2）锚杆预紧力为20～30 kN 时，拉应力范围减小，多处离层区域闭合，但在1.5 m 深处的顶板仍然有离层发生。

3）锚杆预紧力为30～60 kN 时，拉应力范围进一步缩小，顶板上方的所有离层都逐渐闭合，且顶板状态稳定。

通过上述模拟结果得出锚杆的最小预紧力为60 kN，考虑到现场实际情况复杂，确定锚杆的预紧力为100 kN。

3.3 支护方案设计

支护采用“强力锚杆锚索+JM梁组合支护系统”联合支护。锚杆（索）均采用高强度预应力材料，顶、帮锚杆采用500#/22mm，L=2 400 mm，顶锚杆排间距900 mm×920 mm，共布置6 根锚杆，靠近巷帮的锚杆与水平线成75°夹角，顶板W 型钢带规格为：4 900 mm×280×4 mm；帮锚杆排间距900 mm×900 mm；帮锚杆的间排距为900 mm×920 mm，采用横纵向双向加强钢护板，规格为450 mm×280 mm×4 mm；锚索采用'鸟窝'锚索，直径为21.8mm，L=7 300 mm，锚索梁规格为4800 mm×330 mm×6 mm，配套200 mm×220 mm×12 mm 钢托盘，一梁四索，眼距1 400 mm，排距1 800 mm。支护方案如图3 所示。

图3 巷道支护方案

本支护设计采用的“鸟窝”锚索，其结构如图4所示。

图4 '鸟窝'锚索示意图

与普通锚索相比，'鸟窝'锚索具有以下几个特点：

1）其索头装有保护套，可以防止锚索在运输或安装过程中出现散股的现象，便于施工。

2）锚索直径设计时比钻孔直径要小1～2 mm，可以使得树脂锚固剂在索体周围均匀分布，减少树脂消耗量的同时提供较大的锚固力。

3）图4 中，锚索“鸟窝”部分为中空结构，在搅拌过程中，树脂锚固剂进入' 鸟窝'，使得树脂与锚索紧密结合，进而提高了锚索的抗拉强度。

4 支护效果分析

为准确获得煌斑岩侵入段巷道的支护效果，采用多点位移测量对巷道变形进行检测，每个测站按不同深度安装4 个测点，分别为1.5、3.0、4.5 m 和6.0 m，顶板和做帮各安装一套监测系统。监测结果如图5 所示。

图5 巷道围岩变形监测曲线

由图5 可知，从巷道开挖到围岩变形趋于稳定，巷道煤帮的最大变形量为43.8 mm，顶板的最大变形量为63.7 mm，采用新支护方案后，巷道围岩的变形情况得到了控制，支护效果良好。

5 结 论

煌斑岩侵入使得煤体的物理化学性质发生了质的变化，强度大幅度降低，对巷道安全生产造成了影响。通过对侵入段巷道围岩煤岩体进行岩石力学实验，分析了巷道围岩的变性破坏特征，同时通过数值模拟得出了合理的锚杆支护长度和预紧力，结合现场实际确定出煌斑岩侵入段巷道支护方案。现场监测结果表明，设计的支护方案大幅度降低了巷道围岩的变形，巷道整体稳定性良好。