高抗封闭框型支架在底臌防治中的应用

杜艳军

（山西煤炭进出口集团蒲县万家庄煤业有限公司，山西 临汾 041000）

随着采深增加，地应力随之增加，矿压显现强烈，巷道支护难度大。国内外研究学者对大埋深巷道支护进行了大量研究，但对大埋深软弱围岩下回采巷道底臌防治新支护新工艺研究不够多，已有的支护工艺不能完全满足要求。万家庄煤矿2201 工作面回采期间，底臌严重，最大可达800mm，严重影响正常的生产，同时由于断面减小造成通风不畅带来安全隐患。本文针对大埋深软岩巷道底臌防治难点，探讨合理支护工艺，为类似地质条件下巷道支护提供借鉴经验。

1 工程概况

万家庄煤矿主采的二1 煤层埋深超过600m，煤层厚度6.0m 左右，倾角平均8°，采用综合机械化开采。二1 煤伪顶为泥岩，厚度0.3 ～0.5m；直接顶为砂岩、砂质泥岩以及泥岩，厚度5m 左右，通过实验室可知直接顶质量指标指数RQD 为砂岩41.9%～90.0%，砂质泥岩、泥岩类31.6%～74.9%，比重值为2.66～2.76，直接顶可认为半坚硬岩类岩石；老顶为粗、中、细粒砂岩，厚度为8～12m，岩石的抗压强度为16.4～79.9MPa；底板以泥岩、砂质泥岩为主，坚固性系数较小，属于软弱岩层。

2 巷道底臌的影响因素

（1）开采深度的影响

由于2201 工作面埋深超600m，属于大埋深，根据矿山压力与岩层控制基本知识可知埋深600m处的原岩应力在15MPa 左右。如果在回采期间回采巷道受到应力集中，底板应力集中可能达到58～73MPa，而工作面回采巷道底板强度在29.3MPa左右，可见应力集中时明显大于底板强度而引起底臌的现象。

（2）水对底臌的影响

水对泥岩影响较大，泥岩在吸水后强度大大降低。2201 工作面回采巷道掘进时，顶板就会出现淋水现象，回采期间顶板淋水现象依然存在，且持续时间更长，在3 天以上。顶板淋水且底板积水不能及时排走，泥岩、砂质泥岩的底板遇到水强度势必大大降低，是底板发生底臌现象重要影响因素之一。

（3）地质构造情况

从万家庄煤矿地质构造来看，2201 工作面有断层11 条之多，局部还存在褶曲的地质构造。由于地质构造的存在就会导致应力集中，进而可能加剧巷道底臌的发生。

3 大埋深软岩巷道支护设计

万家庄煤矿在之前巷道支护中尝试传统的锚杆支护、锚注支护以及工钢支护，效果不佳，结合国内外研究成果及本矿的实际地质条件，提出锚网索+高抗框型支架治理底臌技术。该技术的构思是根据矿上特殊地质条件，即围岩应力复杂且强度较低，结合现有支护研究理论，锚网索加整体支架更为适合。其中高抗框型支架是由顶梁、底梁和两侧梁组成，每部分均由螺纹对接。支架结构如图1 所示。

图1 支架装配图

利用FLAC 数值模拟软件模拟在巷道掘进和回采期间，采用锚网索+高抗框型支架支护围岩塑性区和应力分布情况。构建的模型模拟布置了相应的煤层、顶底板，模型尺寸宽×高×厚分别为50m×400m×70m，开挖情况根据实际情况进行。

图2 部分动压影响下巷道围岩塑性破坏图

图3 部分动压影响下巷道围岩应力分布图

从塑性区模拟的结果可以看出（图2），在巷道掘进过程中，高抗封闭框型支架和锚网索联合支护的巷道围岩也出现了不同程度的塑性破坏。顶板和底板塑性破坏最大范围分别为0.8m、1m，两帮塑性区最大破坏范围为0.9m；在动压下顶板和底板塑性破坏最大范围分别为0.8m、1.2m，两帮塑性区最大破坏范围为0.7m。从应力分布模拟结果不难看出（图3），巷道掘进时高抗封闭框型支架和锚网索联合支护的巷道顶最大应力值为27MPa，位置在距顶板1.5m 处，底板最大应力值26MPa，位置在距底板1.5m 处；动压下巷道顶最大应力值为28MPa，位置在距顶板1.6m 处，底板最大应力值28MPa，位置在距底板1.3m 处。采用锚网索和高抗封闭框型支架联合支护巷道围岩塑性区范围在可控的范围内，应力最大值位置距巷道壁较近，距离较近则说明围岩承受压力的作用大，较为充分利用了围岩本身承载能力，使“支架-围岩”相互作用关系发挥较好。

4 工业性试验

通过理论分析和数值模拟，可知在该矿地质条件下使用高抗封闭框型支架和锚网索联合支护理论是可行的。在2201 工作面区段运输顺槽600m 范围进行工业性试验，利用“十”字交叉法设置三个观测站对巷道围岩变形进行观测。对巷道围岩的顶底板和两帮相对移近量进行60d 的观测，部分观测数据如图4 所示。从观测数据可知，顶底板最大移近量为40mm，在0～30d 时间内，变形速率大，30～60d 巷道变形速率小，且趋于平缓；两帮最大移近量82mm，在0～34d 两帮移动活跃，变形速率较大，34～60d 后两帮移动速率小，变形缓慢且趋于平缓。总之，高抗封闭框型支架和锚网索联合支护工业性试验结果与数值模拟结果基本一致，巷道顶底板和两帮相对移近量变形被控制在一定范围，也说明了支护和围岩能够充分发挥相互作用关系，使得支护系统效果良好。

图4 部分巷道顶底板和两帮相对移近量

5 结 论

（1）分析了引起回采巷道底臌的影响因素，即顶底板岩性与开采深度、顶板水以及地质构造情况。

（2）提出高抗框型支架和锚网索联合支护治理底臌技术，并对掘进期间和回采期间进行数值模拟，并应用于现场。现场监测结果与数值模拟结果相近，顶底板和两帮最大移近量分别为40mm 和82mm，巷道围岩变形被控制在一定范围。