楊金鋒

（山西晉神能源有限公司沙坪煤礦，山西 忻州 034000）

0 引 言

軟巖巷道的巖層具有圍巖強度低、承載能力小、受應(yīng)力作用變形速度快、巖層易破碎等特征，因此軟巖巷道圍巖支護控制頂板一直是煤礦井下開采所面臨的難題之一。許多專家學(xué)者也從多方面進行了研究，如張學(xué)軍[1]對軟巖巷道圍巖的破壞原理提出針對性聯(lián)合支護方案；史巖鵬[2]進行厚煤層軟巖巷道支護技術(shù)的分析；馬驍?shù)萚3]對深部軟巖巷道長短錨索聯(lián)合支護技術(shù)進行了研究分析；張智明[4]對掘進巷道軟巖頂板支護進行設(shè)計和應(yīng)用。以上研究雖然從不同方面對軟巖巷道支護提出了支護技術(shù)方案和分析研究，但還存在一些不足之處。因此，以山西晉神沙坪煤礦1815膠運順槽為例，根據(jù)該巷道地質(zhì)條件和現(xiàn)場實際情況，通過巖層取樣分析研究、現(xiàn)場觀測等方法，提出巷道支護工藝優(yōu)化方案。應(yīng)用實踐結(jié)果表明，優(yōu)化后的支護方案取得的支護效果較好，為類似地質(zhì)條件下的軟巖巷道支護設(shè)計提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

沙坪煤礦現(xiàn)主要開采煤層為8號煤層，1815工作面位于沙坪礦8號煤南翼采區(qū)，8號煤回風(fēng)大巷以南，1813工作面（采空區(qū)）以西。1815膠運順槽位于膠運順槽前段位于18206采空區(qū)，后段布置在實體煤下。工作面煤層底板標(biāo)高+892—+903 m，地面標(biāo)高+1 019—+1 140 m，蓋層厚度127～237 m。煤層厚度3.1～5.1 m，平均4 m，煤層內(nèi)生裂隙較為發(fā)育，一般為半亮型煤，局部出現(xiàn)暗淡型煤。煤層含夾矸1層，處于煤層中下部，巖性灰色泥巖，厚度0.10～0.20 m。煤層直接頂為黑灰色、致密、具泥質(zhì)結(jié)構(gòu)的泥巖，斷口平坦，厚度0.5～8.4 m，平均3.7 m；老頂為灰色、中層狀，含白云母碎片，泥質(zhì)膠結(jié)，小型交錯發(fā)育，夾薄層粉砂巖，厚度4.0～7.6 m，平均5.4 m；偽頂為黑色炭質(zhì)泥巖，厚度0.2～0.4 m。煤層直接底為泥巖，灰白色、性脆、致密、具貝殼狀斷口、含星散狀黃鐵礦，產(chǎn)植物化石，厚度3.7～5.5 m，平均4.6 m；老底為粗粒砂巖，灰白色、厚層狀、石英為主，含暗色礦物，鈣質(zhì)膠，厚度3.7～8.6 m，平均6.4 m。煤層頂?shù)装鍘r性綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 1 81 5回風(fēng)順槽煤層頂?shù)装鍘r性柱狀圖Fig.1 Lithology histogram of roof and floor of 1815 air return roadway coal seam

1.2 巷道原掘進支護方式

1815膠運順槽主要用于1815工作面進風(fēng)、煤炭運輸和行人等，設(shè)計工程量1 579 m，斷面形狀為矩形，巷寬5.2 m，高3.3 m。巷道頂部采用錨桿+錨索+鐵絲網(wǎng)聯(lián)合支護，錨桿規(guī)格為φ18 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，樹脂型號ck23600，1支/眼；錨索規(guī)格為φ17.8 mm×6 200 mm，配套ck23600樹脂，2支/眼，間排距均為2 500 mm×2 000 mm。副幫采用錨桿+鐵絲網(wǎng)聯(lián)合支護，錨桿規(guī)格為φ18 mm×2 000 mm的A3圓鋼錨桿，間排距1 100 mm×1 200 mm，樹脂型號ck23400，1支/眼；鐵絲網(wǎng)規(guī)格為2 600 mm×5 000 mm；正幫采用玻璃鋼錨桿+塑料網(wǎng)聯(lián)合支護，錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿，間排距1 100 mm×1 200 mm，樹脂型號ck23400，1支/眼；塑料網(wǎng)規(guī)格為2 600 mm×5 000 mm。

1.3 巷道圍巖變形破壞特征

在巷道掘進期間，通過現(xiàn)場觀測巷道圍巖變化特征發(fā)現(xiàn)，采用現(xiàn)有支護方式進行掘進支護后，隨著掘進距離的逐步延伸，巷道在掘出2個月以后，開始出現(xiàn)頂板巖層開裂、破碎、下沉等現(xiàn)象，嚴(yán)重地點甚至出現(xiàn)了局部頂板巖層整體冒落，錨桿、錨索拉出現(xiàn)象，不僅影響工作面正常掘進，同時帶來了極大的安全隱患。

2 頂板巖層特征分析

利用X射線對1815掘進工作面頂板泥巖的成分進行分析，得到如圖2所示的衍射圖譜。根據(jù)圖2分析可知，石英、高嶺石和伊利石在頂板巖石礦物成分中所占的比例最大，該類礦物均為黏土類礦物。

圖2 煤層頂板泥巖礦物成分X射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction pattern of mineral composition of mudstone of coal seam roof

為檢驗工作面煤層頂板泥巖被頂板水及風(fēng)化破壞作用下狀態(tài)產(chǎn)生的變化情況，選取工作面煤層頂板泥巖巖芯試樣進行飽水-風(fēng)干試驗[5]。經(jīng)過4個循環(huán)的試驗，得到如圖3所示的結(jié)果，其中圖3（a）為選取試樣的初始狀態(tài)，在試樣進行兩個循環(huán)的作用以后，巖芯試樣開始出現(xiàn)部分破碎、離體現(xiàn)象，如圖3（b）所示；在經(jīng)過3個循環(huán)的飽水-風(fēng)干作用以后，近半巖芯都發(fā)生了破碎離體現(xiàn)象，如圖3（c）所示；在第4個循環(huán)結(jié)束以后，整個巖芯全部崩解破碎，如圖3（d）所示。

圖3 工作面煤層頂板泥巖巖芯試樣飽水-風(fēng)干破壞變化過程Fig.3 Change process of saturated water-air-drying failure of mudstone core samples in coal seam roof of working face

工作面頂板泥巖試樣通過電鏡掃描后得到圖像如圖4所示，根據(jù)掃描圖分析可知，泥巖巖芯組成成分中大部分為伊利石、高嶺石和綠脫石，它們在巖石中呈不規(guī)則分布，整體巖體結(jié)構(gòu)沒有規(guī)律性，且?guī)r體中間存在大量的裂隙。

圖4 頂板泥巖巖芯試樣電鏡掃描Fig.4 SEMscanning of mudstone core samples on roof

3 巷道支護設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)上述情況分析可知，工作面巷道圍巖出現(xiàn)破壞變形、失穩(wěn)等現(xiàn)象，主要原因是由于巷道頂板直接頂為泥巖層，巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)紊亂、強度低，在頂板巖層受到淋水和風(fēng)化侵蝕等外力作用時，巖層整體結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)斷裂破壞，造成巷道采用錨網(wǎng)支護時錨固效果差，施工的錨桿索失效造成巷道整體支護強度降低[6-7]。

3.1 施工斷面和工藝優(yōu)化

為減小風(fēng)化作用對巖層的破壞影響，在巷道掘進采用錨網(wǎng)支護后，對巷道全斷面進行薄噴封閉。為防止噴漿后巷道斷面減小，在原巷道設(shè)計的斷面基礎(chǔ)上將巷寬和巷高分別增加200 mm，提前預(yù)留出噴漿層空間，掘進施工期間，滯后掘進工作面20 m左右對巷道進行噴漿，其中頂部噴漿厚度為50 mm，兩幫噴漿厚度均為100 mm。同時因工作面煤層頂板有一層200～400 mm厚的偽頂，因偽頂極易破碎，支護難度大，因此在巷道掘進時，將沿頂掘進工藝改為破偽頂掘進施工。

3.2 支護參數(shù)優(yōu)化

將原巷道頂部和幫部支護采用的φ18 mm×2 200 mm螺紋鋼錨桿更換為φ22 mm×2 400 mm錨桿，同時為提高巷道兩幫肩窩處支護強度，減小肩窩處變形量，將巷道頂部和幫部邊角處的錨桿角度由原來的垂直頂部和幫部布置調(diào)整為夾角為20°布置。頂部錨索由原來設(shè)計的φ17.8 mm×6 200 mm調(diào)整為φ18.9 mm×7 200 mm，夾角由原來的垂直頂板調(diào)整為與頂板呈20°夾角。支護參數(shù)優(yōu)化后巷道支護設(shè)計如圖5所示。

圖5 原巷道支護方案與優(yōu)化后的巷道支護方案對比Fig.5 Comparison between the original roadway support scheme and the optimized roadway support scheme

4 優(yōu)化后應(yīng)用效果分析

4.1 數(shù)值模擬試驗分析

1815膠運順槽掘進期間采用優(yōu)化后的支護方案進行巷道掘進支護時，巷道圍巖受力變形破壞及錨桿（索）受到的剪切應(yīng)力后產(chǎn)生的變化效果如圖6所示。由圖中可以看出，在巷道采用優(yōu)化后的錨桿（索）支護的初期，錨桿（索）受到的剪切應(yīng)力分布比較均勻，巷道整體結(jié)構(gòu)變形量不大且較均勻，支護體能夠?qū)ο锏绹鷰r變形起到有效控制作用；當(dāng)剪應(yīng)力逐漸增大到12 MPa時，巷道頂部兩邊角開始產(chǎn)生一些裂隙；當(dāng)剪應(yīng)力達到18 MPa時，巷道頂部錨索仍能對頂板起到有效支撐控制作用，并且能夠切斷巷道頂板圍巖邊角的塑性滑移變形線，從而使巷道頂板上方仍能夠形成一個較為完整的承載結(jié)構(gòu)體，減小了圍巖破壞變形量。由此表明優(yōu)化后的支護方案能夠起到有效控制巷道圍巖變形破壞的作用。

圖6 巷道圍巖受力破壞變形演變過程Fig.6 Evolution process of failure deformation under stress on surrounding rock of roadway

4.2 應(yīng)用效果分析

為檢驗優(yōu)化后支護方案在工作面實際應(yīng)用中的效果，在1815工作面回采期間，在膠運順槽距工作面切眼100 m位置布置一個觀測點，對巷道頂?shù)装逡平冃瘟窟M行定期觀測，通過現(xiàn)場觀測取得的數(shù)據(jù)繪制出巷道頂?shù)装逡平孔兓€，如圖7所示。

圖7 1 81 5工作面膠運順槽頂?shù)装逡平孔兓€Fig.7 Variation curve of top and bottom plate movement of rubber transport groove on 1815 working face

根據(jù)圖7可知，在工作面回采過程中，工作面切眼距離觀測點大于40 m時，巷道圍巖變形量不明顯；當(dāng)工作面切眼回采至距觀測點40 m位置時，巷道圍巖變形量開始出現(xiàn)逐漸增大現(xiàn)象，在距離20 m位置時巷道頂?shù)装逡平砍霈F(xiàn)急劇增大現(xiàn)象；當(dāng)工作面回采至測點位置時，巷道頂板最大下沉量達到了376 mm，巷道兩幫位移量最大達到了258 mm。巷道圍巖頂?shù)装逡平孔畲笾稻闯^規(guī)定值，均在合理變形范圍之內(nèi)。同時，通過對工作面回采期間巷道破壞變形情況調(diào)研可知，1815膠運順槽未發(fā)生頂板大面積破壞變形、冒落現(xiàn)象，巷道整體結(jié)構(gòu)較為完整，回采期間未進行二次擴修現(xiàn)象。由此表明該支護方案能夠滿足控制巷道圍巖破壞變形的要求，達到了設(shè)計效果，確保了工作面安全回采。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)采取的頂板泥巖試樣分析可知，1815工作面頂板泥巖結(jié)構(gòu)中含有大量的黏土類礦物質(zhì)，且分布不規(guī)則，裂隙大，受到風(fēng)華和淋水侵蝕作用極易產(chǎn)生破壞變形，控制維護難度大。

（2）提出優(yōu)化錨桿（索）支護參數(shù)，增大增長錨桿、錨索直徑和長度，同時對巷道圍巖表層進行噴漿覆蓋保護等綜合巷道圍巖支護優(yōu)化方案。

（3）應(yīng)用實踐效果表明，1815工作面膠運順槽采用優(yōu)化后的支護方案后，巷道頂?shù)装逡平冃瘟吭诤侠矸秶畠?nèi)，巷道整體支護效果良好，回采期間未發(fā)生巷道冒落、返修現(xiàn)象，支護效果達到了設(shè)計要求，工作面實現(xiàn)了安全回采。