伏岩煤业3206工作面厚层软弱顶板巷道围岩控制技术

张小健

(山西阳城阳泰集团 伏岩煤业有限公司，山西 阳城 048105)

1 工程概况

山西阳城阳泰集团伏岩煤业3206上分层工作面位于二采区，开采3号煤层，西为中央大巷，东接矿界保安煤柱，北、南为实体煤。回风巷沿3号煤层顶板掘进，掘进宽度×高度=5.0 m×4.0 m，3号煤层均厚为6.5 m，煤层倾角为1～6°，煤层普氏系数为1.3，层状构造，煤层较松软，含1～3层夹矸，煤层直接顶为粉砂质泥岩，均厚为13.55 m，属于厚层软弱顶板，为充分保障3206上分层工作面回风巷道的稳定，需要对围岩控制技术进行研究。

2 围岩裂隙发育规律分析

为分析3206上分层工作面回风巷围岩的变形规律，采用UDEC数值模拟软件，结合巷道的地质条件，建立长×高=60 m×60 m的数值模型，模型上部边界施加上覆岩层的载荷，底边和侧边固定位移，各岩层采用 Voronoi 多边形节理生成器进行节理裂隙划分，具体分析厚层软弱顶板条件下围岩裂隙及塑性区发育特征。

2.1 围岩裂隙发育规律

根据数值模拟结果，得出巷道在计算200步、300步、400步、500步、1 000步、1 500步时，巷道围岩裂隙的发育规律，如图1所示。

由图1可知，在运算步数为200步时，此时顶板区域的裂隙发展高度为3 m，在运行到400步时，顶板裂隙进一步发育扩展，此时裂隙的发育高度达到4 m，随着数值模拟的运行程序的进行，当运算步数超过400步时，随着运算步数的不断增大，顶板裂隙的发育逐渐趋于稳定，裂隙高度发育随着运算增长的幅度逐渐降低，最终当数值模拟进行到1 500步时，巷道顶板的裂隙发育高度约为5 m。

图1 不同计算步数下围岩裂隙发育规律

2.2 围岩塑性区发育规律

根据数值模拟结果，不同计算步数下巷道围岩塑性区的发育规律如图2所示。

图2 不同运算步数下围岩塑性区发育规律

由图2可知，随着运算步数的逐渐增大，巷道围岩塑性区的发育范围逐渐扩大，在运算步数达到400步时，此时巷道围岩基本均表现为受拉破坏，受拉破坏占到围岩塑性区破坏单元的88.1%，围岩出现塑性屈服单元数目达到屈服总数的82%，同时在数值模型运算完成后，顶板塑性区的发育高度基本为3.2 m。

3 围岩控制技术

3.1 围岩控制对策

根据3206厚层软弱顶板工作面的具体地质条件，结合数值模拟结果，确定针对厚层软弱顶板的围岩控制技术。

1) 顶板采用高密度长锚索加强支护。由于巷道顶板为粉砂质泥岩，该种岩石容易出现风化现象，同时由于该种岩石具有碎胀系数较大的特征，在掘进期间巷道易出现离层冒落的现象。为保障顶板岩层的稳定，应进行顶板承载能力的强化作业，同时增大锚杆索支护的锚固区域范围，进而有效提升加固区域的厚度，另外在提升锚杆索加固区域厚度的同时，应提升锚固体的刚度和强度，提升巷道支护方案对巷道的护表强度，进而防止顶板软弱岩层出现煤岩体冒落的现象[1-2]。

2) 帮角加强锚杆。3206上分层工作面回风巷为矩形断面，巷道进行开挖作业后，在帮角的区域易出现应力集中现象，根据众多工程实践表明，在软弱围岩巷道内，帮角锚杆的受力较大，易出现锚尾破坏，主要原因为煤体的内移挤压对锚杆托盘产生偏心荷载。通过在帮角布置加强锚杆，不与钢筋梯子梁或钢带相连接，此时帮角处的单体锚杆能够在较大程度上减小锚尾下侧所受的拉力，进而在较大程度上减少锚尾破坏现象的出现[3-4]。

3) 帮部采用短锚索进行支护。由于3号煤层较为松软，巷道帮部围岩的松动圈范围较大，仅仅采用锚杆支护，不能将锚杆有效地锚固在帮部未塑性破坏的围岩内，为对巷道两帮的破碎煤体进行有效控制，采用短锚索进行支护，以提高巷道帮部的支护强度，进而控制住巷道围岩在初期的松动破坏范围[5]。

3.2 支护参数设计

1) 顶板支护。锚杆采用D22 mm×2 500 mm的螺纹钢锚杆，端头锚固，每根锚杆采用一支K2335树脂锚固剂和一支Z2360树脂锚固剂，间排距为880 mm×800 mm，预紧力矩为300 N·m；锚索采用D21.8 mm×7 300 mm的1×19股钢绞线，间排距为1 200 mm×800 mm，采用1支K2335树脂锚固剂和2支Z2360树脂锚固剂，预紧力为200 kN，同时将垂直于顶板打设的锚杆通过钢筋梯子梁进行连接，采用10号金属网进行护顶作业。

2) 帮部支护。锚杆型号、锚固方式均与顶板相同，间排距为800 mm×800 mm，预紧力矩为300 N·m；短锚索采用D21.8 mm×5 000 mm的钢绞线，采用1卷K2335和2卷Z2360树脂药卷，预紧力为150 kN，间排距为1 500 mm×800 mm，同样采用钢筋梯子梁将垂直于巷道帮部围岩的锚杆索进行连接。

具体巷道支护方式及参数如图3所示。

图3 巷道支护断面(mm)

3.3 效果分析

为验证巷道掘进期间围岩控制效果，在滞后掘进工作面50 m的位置布置巷道表面位移监测站，采用“十字交叉法”进行巷道顶底板移近量和两帮变形量的持续观测，观测时间持续70 d，观测结果如图4所示。

图4 巷道围岩变形曲线

由图4可知，巷道顶底板相对移近量和两帮相对移近量均随着观测时间的增大而出现逐渐增大的现象，在掘进后15～20 d的时间内，为掘进扰动剧烈影响期，其中两帮及顶底板移近量的平均变形速率均在5～6 mm/d，当巷道掘出20～40 d期间，为掘进扰动影响缓和期，此时两帮及顶底板移近量变形速率降低为1～1.5 mm/d，当巷道掘出40 d后，围岩变形量基本达到稳定状态，最终顶底板相对移近量和两帮移近量的最大值分别为142 mm和133 mm。

4 结 语

针对伏岩煤业3206上分层工作面回风巷厚层软弱顶板的具体特征，基于数值模拟分析了围岩裂隙与塑性区的发育规律，确定巷道围岩的控制对策为顶板采用高密度长锚索+帮部采用短锚索+加强帮角支护，根据矿压监测结果可知，围岩控制效果良好。