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(qiáng)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(hù)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(jìn)行了研究，如張學(xué)軍[1]對(duì)軟巖巷道圍巖的破壞原理提出針對(duì)性聯(lián)合支護(hù)方案；史巖鵬[2]進(jìn)行厚煤層軟巖巷道支護(hù)技術(shù)的分析；馬驍?shù)萚3]對(duì)深部軟巖巷道長(zhǎng)短錨索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究分析；張智明[4]對(duì)掘進(jìn)巷道軟巖頂板支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用。以上研究雖然從不同方面對(duì)軟巖巷道支護(hù)提出了支護(hù)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(yùn)順槽為例，根據(jù)該巷道地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)巖層取樣分析研究、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等方法，提出巷道支護(hù)工藝優(yōu)化方案。應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果表明，優(yōu)化后的支護(hù)方案取得的支護(hù)效果較好，為類似地質(zhì)條件下的軟巖巷道支護(hù)設(shè)計(jì)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(hào)煤層，1815工作面位于沙坪礦8號(hào)煤南翼采區(qū)，8號(hào)煤回風(fēng)大巷以南，1813工作面（采空區(qū)）以西。1815膠運(yùn)順槽位于膠運(yùn)順槽前段位于18206采空區(qū)，后段布置在實(shí)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(cuò)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(jìn)支護(hù)方式

1815膠運(yùn)順槽主要用于1815工作面進(jìn)風(fēng)、煤炭運(yùn)輸和行人等，設(shè)計(jì)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(hù)，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(hào)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(hù)，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(hào)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(hù)，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(hào)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(jìn)期間，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)巷道圍巖變化特征發(fā)現(xiàn)，采用現(xiàn)有支護(hù)方式進(jìn)行掘進(jìn)支護(hù)后，隨著掘進(jìn)距離的逐步延伸，巷道在掘出2個(gè)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(diǎn)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(jìn)，同時(shí)帶來(lái)了極大的安全隱患。

2 頂板巖層特征分析

利用X射線對(duì)1815掘進(jìn)工作面頂板泥巖的成分進(jìn)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(yàn)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(jìn)行飽水-風(fēng)干試驗(yàn)[5]。經(jīng)過(guò)4個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)，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(jìn)行兩個(gè)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(guò)3個(gè)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(gè)循環(huán)結(jié)束以后，整個(gè)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(guò)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(guò)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?cè)趲r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(hù)設(shè)計(jì)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(qiáng)度低，在頂板巖層受到淋水和風(fēng)化侵蝕等外力作用時(shí)，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(hù)時(shí)錨固效果差，施工的錨桿索失效造成巷道整體支護(hù)強(qiáng)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(duì)巖層的破壞影響，在巷道掘進(jìn)采用錨網(wǎng)支護(hù)后，對(duì)巷道全斷面進(jìn)行薄噴封閉。為防止噴漿后巷道斷面減小，在原巷道設(shè)計(jì)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(jìn)施工期間，滯后掘進(jìn)工作面20 m左右對(duì)巷道進(jìn)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(shí)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(hù)難度大，因此在巷道掘進(jìn)時(shí)，將沿頂掘進(jìn)工藝改為破偽頂掘進(jìn)施工。

3.2 支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

將原巷道頂部和幫部支護(hù)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(shí)為提高巷道兩幫肩窩處支護(hù)強(qiáng)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(lái)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(lái)設(shè)計(jì)的φ17.8 mm×6 200 mm調(diào)整為φ18.9 mm×7 200 mm，夾角由原來(lái)的垂直頂板調(diào)整為與頂板呈20°夾角。支護(hù)參數(shù)優(yōu)化后巷道支護(hù)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 原巷道支護(hù)方案與優(yōu)化后的巷道支護(hù)方案對(duì)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(yàn)分析

1815膠運(yùn)順槽掘進(jìn)期間采用優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行巷道掘進(jìn)支護(hù)時(shí)，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(hù)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(hù)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(shí)，巷道頂部?jī)蛇吔情_始產(chǎn)生一些裂隙；當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到18 MPa時(shí)，巷道頂部錨索仍能對(duì)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(gè)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(hù)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(guò)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(yàn)優(yōu)化后支護(hù)方案在工作面實(shí)際應(yīng)用中的效果，在1815工作面回采期間，在膠運(yùn)順槽距工作面切眼100 m位置布置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道頂?shù)装逡平冃瘟窟M(jìn)行定期觀測(cè)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)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(yùn)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(guò)程中，工作面切眼距離觀測(cè)點(diǎn)大于40 m時(shí)，巷道圍巖變形量不明顯；當(dāng)工作面切眼回采至距觀測(cè)點(diǎn)40 m位置時(shí)，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(shí)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(cè)點(diǎn)位置時(shí)，巷道頂板最大下沉量達(dá)到了376 mm，巷道兩幫位移量最大達(dá)到了258 mm。巷道圍巖頂?shù)装逡平孔畲笾稻闯^(guò)規(guī)定值，均在合理變形范圍之內(nèi)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)工作面回采期間巷道破壞變形情況調(diào)研可知，1815膠運(yùn)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(jìn)行二次擴(kuò)修現(xiàn)象。由此表明該支護(hù)方案能夠滿足控制巷道圍巖破壞變形的要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)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(hù)難度大。

（2）提出優(yōu)化錨桿（索）支護(hù)參數(shù)，增大增長(zhǎng)錨桿、錨索直徑和長(zhǎng)度，同時(shí)對(duì)巷道圍巖表層進(jìn)行噴漿覆蓋保護(hù)等綜合巷道圍巖支護(hù)優(yōu)化方案。

（3）應(yīng)用實(shí)踐效果表明，1815工作面膠運(yùn)順槽采用優(yōu)化后的支護(hù)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(hù)效果良好，回采期間未發(fā)生巷道冒落、返修現(xiàn)象，支護(hù)效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，工作面實(shí)現(xiàn)了安全回采。