李穎博

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048000）

玉溪煤礦1301 綜采工作面回風大巷在掘進過程中揭露斷層破碎帶，巷道頂板下沉明顯且涌水量增加，兩幫發(fā)生大范圍的片幫現(xiàn)象。探究該巷道的破壞原因并采取行之有效的支護方法不僅可以保障該礦井的正常安全生產(chǎn)，同時對于其他類似條件下的巷道支護也具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

玉溪煤礦1301 綜采工作面回風巷位于一盤區(qū)南部東側，開采3#煤層，煤層厚度5.8～6.2m，平均厚度為6.1m，埋藏深度為600m。該巷道沿3#煤層頂板掘進，設計長度為1267.75m。巷道斷面為矩形，凈寬4.6m，凈高3.8m，采用錨桿+錨索+W 鋼帶+金屬菱形網(wǎng)進行支護。其中頂板每排打5 根左旋螺紋鋼錨桿，間排距為1m×1m，直徑均為20mm，長度均為2400mm；兩幫每排打4 根錨桿，錨桿間排距為0.9m×1m，錨桿的型號、尺寸同頂板一致。頂板和兩幫的錨桿所施加的預緊力均為50kN。頂板錨索的直徑為17.8mm，長度為6400mm，布置方式為第一排距巷中線0.9m 處左右各布置一根，第二排在巷中布置一根，依次循環(huán)布置，排距為1m，所施加的預緊力為150kN?；仫L巷的錨桿（索）均垂直于巖面布置。巷道斷面支護如圖1 所示。

圖1 巷道斷面支護圖

巷道掘進至683m 處時揭露F23 斷層，在順斷層走向推進的過程中頂板下沉明顯且水涌量增大，頂板鋼帶彎曲，如圖2 所示。多處錨桿失效，兩幫片幫時有發(fā)生，嚴重制約礦井的正常生產(chǎn)作業(yè)。

圖2 頂板鋼帶彎曲變形圖

2 巷道圍巖原位實測

2.1 巷道頂?shù)装鍑鷰r力學參數(shù)測試

為了解巷道頂?shù)装甯鲙r層的賦存情況，在現(xiàn)場選取合適的位置進行打鉆取芯，并通過電液伺服萬能試驗機對其力學參數(shù)進行測試，測試結果如表1所示。

表1 巷道頂?shù)装鍑鷰r力學參數(shù)統(tǒng)計表

從表中可以看出距巷道頂板6.9m 范圍內(nèi)分別為砂質(zhì)泥巖和泥巖，其中砂質(zhì)泥巖的厚度為3.2m，泥巖的厚度為3.7m。這兩層巖層的強度比起同類巖層的強度低許多且裂隙較為發(fā)育。砂質(zhì)泥巖之上則覆蓋著一層5.4m 厚的細粒砂巖，該巖層具有較高的強度。3#煤層之下則為6.4m 的泥巖。該段巷道內(nèi)的煤層以亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層中含2～3 層泥質(zhì)夾矸，厚度為0.20～1.00m 左右，導致煤體強度整體偏低。

2.2 地應力測試

為了進一步了解巷道地應力的分布情況，在巷道選取合適的位置對其展開測試。采用空芯包體應力解除法，設置兩個地應力測試點。測試結果顯示，1#測點的最大主應力為26.9MPa,傾角為4.02°，方位角為98.26°；中間主應力為19.8MPa，傾角為81.33°，方位角為35.7°；最小主應力為17.2 MPa，傾角為3.09°，方位角為174°。2#測點的測試結果與1#測點相近。由此可知，該段巷道的最大、最小主應力均為水平應力，垂直應力為中間主應力，巷道整體受水平構造應力明顯。

2.3 頂板巖石礦物成分分析

將巷道頂板所取的巖芯送至實驗室內(nèi)進行X 射線衍射試驗，通過X 射線衍射結果可以看出巷道頂板的泥巖中含有較多的石英、高嶺石、蒙脫石和伊利石。其中高嶺石在礦物成分中所占的比例最大，達到了19.8%，其次為伊利石，含量達到了10.2%。這兩種礦物成分具有較強的吸水性且遇水后易發(fā)生膨脹、崩解、軟化，進而導致泥巖強度出現(xiàn)進一步的弱化。

2.4 頂板含水層探測

通過采用探測雷達和鉆孔相結合的方式對頂板涌水量增大的原因進行了探測。探測結果表明，距巷道頂板9～13m 之間存在著砂巖裂隙含水層，該含水層的厚度約為4m，富水性較弱，不會對巷道產(chǎn)生較大影響。在巷道掘進的過程中頂板圍巖裂隙不斷向深部發(fā)育，最終與含水層相導通，這是造成頂板涌水量增大的主要原因。

2.5 巷道頂板圍巖窺視

為了進一步了解巷道頂板圍巖的破壞情況，在巷道頂板選取合適的位置布置窺視孔。其中窺視孔的累計深度為10.5m，采用TYGD10 巖層鉆孔探測儀對其進行窺視。圖3 為巷道頂板的窺視結果。

圖3 頂板圍巖窺視結果圖

從圖中可以看出，窺視孔1.3m 處出現(xiàn)了較為嚴重的塌孔現(xiàn)象，2.2m 和5.4m 處裂隙較為發(fā)育且張開度較大，6.7m 處孔壁較為粗糙。

3 巷道圍巖變形破壞原因

根據(jù)現(xiàn)場原位實測以及實驗室測試的結果，將布置于F23 斷層中的巷道破壞較為嚴重的原因歸結為如下四點：

（1）巷道頂板6.9m 范圍內(nèi)為泥巖和砂質(zhì)泥巖，圍巖強度較低且裂隙較為發(fā)育，錨索的長度為6.4m，錨固基礎較差，巷道兩幫的煤體以亮煤為主且含有0.20～1.00m 左右的泥質(zhì)夾矸，進而造成煤體整體強度偏低，兩幫易松散片幫。

（2）巷道為大斷面巷道，受水平構造應力明顯，頂板巖層層間剪切作用較強，而所用的錨桿直徑較小，抗剪能力較弱，易發(fā)生剪切損壞，巷道整體的支護強度明顯不足。

（3）在掘進擾動和回采擾動的影響下，頂板圍巖裂隙增多，最終與上覆砂巖裂隙含水層相導通，張開度較大的縱向裂隙成為了導水通道，進而導致頂板淋水現(xiàn)象加重，錨桿（索）長期遭受侵蝕，對頂板的支護能力出現(xiàn)了一定程度的下降。

（4）頂板泥巖中親水性礦物成分含量較多、水涌量增大的情況下較淺部圍巖易吸水軟化，進而導致支護難度增加。

4 支護方案優(yōu)化

通過對巷道變形破壞的原因進行綜合分析后，現(xiàn)對原支護方案進行優(yōu)化。

（1）巷道頂板7m 深處為細粒砂巖，該巖層強度較高，圍巖完整性較好，可以作為錨索的錨固基礎。故將錨索的長度由原來的6.4m 增加至7.5m，布置方式則改為三二五花布置。即第一排錨索的布置方式不變，第二排錨索則由原來的一根增加至三根，布置方式為巷中布置一根，距巷中線左右1.8m處分別布置一根，依次循環(huán)。錨索的排距則統(tǒng)一縮短至0.9m，預緊力由原來的150kN 提高至200kN。

（2）為了提高巷道頂板較淺部圍巖的強度以及錨桿的抗剪能力，同時提高注漿效果、降低涌水量，將頂板錨桿改為注漿錨桿，直徑增加至22mm，長度增長至3m，錨桿間距不變，排距縮短至0.9m，施加的預緊力由原來的50kN 提高至80kN。注漿材料選用固瑞特201 化學加固材料，注漿壓力設定為8MPa。

（3）兩幫錨桿的直徑增加至22mm，長度加長至3m，間排距調(diào)整為0.9m×0.9m。

（4）注漿完畢后隨即對巷道圍巖表面噴射混凝土，防止圍巖氧化風化。

為了防止深部的裂隙水排泄不出來而導致水壓升高，進而對周邊巖體造成破壞，支護前先在距巷道頂板中線左右兩側1.5m 處垂直于巖面分別布置一根導水管。導水管的長度為10m，直徑為34mm，對深部的水進行引流。圖4 為優(yōu)化后的巷道斷面支護示意圖。

圖4 優(yōu)化后的巷道斷面支護示意圖

5 現(xiàn)場監(jiān)測

巷道采用新的支護方案后對其變形展開了為期30d 的現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖5 所示。

圖5 巷道圍巖變形隨監(jiān)測時間的變化曲線

從圖中可以看出，在原方案的支護下，巷道圍巖的變形量較大，其中頂?shù)装宓囊平窟_到了310mm，左右兩幫的收斂量達到了251mm；采用優(yōu)化方案支護后，巷道圍巖變形量得到了較好的控制，頂?shù)装宓囊平繛?7mm，左右兩幫的收斂量為84mm，比原支護方案分別減少了84.8%和66.5%，巷道圍巖較為穩(wěn)定。

6 結論

（1）1301 綜采工作面回風巷在掘進過程中揭露F23 斷層，該段巷道受水平構造應力明顯，圍巖強度較低，頂板較為破碎且易吸水軟化，加之支護強度不足，在這些因素的共同作用下巷道破壞嚴重。

（2）根據(jù)巷道變形破壞的原因，針對性地提出了加大支護強度+注漿+噴射混凝土的聯(lián)合支護方式。

（3）工程應用表明，在優(yōu)化方案的支護下巷道頂?shù)装宓囊平?、左右兩幫的收斂量與原支護方案相比分別減少了84.8%和66.5%，表明優(yōu)化方案對巷道的支護效果較好，滿足安全生產(chǎn)要求。