稳定厚灰岩层顶板巷道顶帮协调支护技术

张之慧

（阳泉煤业（集团）有限责任公司一矿， 山西 阳泉 045008）

引言

坚硬厚灰岩层巷道顶帮协调优化支护技术，是巷道支护的研究内容之一[1-2]。坚硬厚灰岩巷道支护常常出现“重顶板、轻两帮”的支护现象，尤其当巷道构造应力和垂直应力差值较大，构造应力占据主要优势时，巷道可能出现顶板支护过度、两帮支护较弱的不合理情况，造成巷道两帮变形破坏，诱发失稳隐患[3-4]。支护设计是巷道锚杆支护中的一项关键技术，支护强度过大时，会造成支护材料浪费和掘进速度降低；支护强度不足或顶帮不协调时，围岩发生变形失稳破坏，影响矿井安全生产。国内外专家学者已经对此进行了大量的实验研究和工程实践，本文结合某矿具体条件和支护现状，提出了优化方法、支护理论及优化技术，并将其应用于工程实践，取得了显著的效果。

1 工程背景

阳煤山凹煤矿9311 回风巷用作工作面行人、出风、运料等。巷道沿9+10 号煤层顶底板掘进，标高最高为800 m，最低为655 m，埋深平均为415 m，巷道布置平面见图1。

9+10 号煤层结构简单，煤层稳定，倾角2°～11°，平均6°；煤层含矸1～3 层，岩性为泥岩，煤层总厚度2.8 m，其中矸石厚度约0.2 m。煤体强度为中硬煤层。

9+10 号煤层伪顶为泥岩，直接顶为K2 石灰岩，青灰色，致密、坚硬，厚度4.6～9.0 m，平均7.2 m，中间2.0～3.2 m 层位含一层厚度约15 mm 泥岩夹层。煤层直接底为灰色砂质泥岩，具体岩层分布情况见表1。

图1 巷道布置平面图

表1 巷道顶底板情况表

9311 运输巷掘进宽度4.5 m，掘进高2.8 m，顶板为4.6～9.0 m 厚的K2 石灰岩层，厚度近巷道跨度的2 倍、两帮为中软煤层。

2 9311 回风巷地质力学特征及围岩破坏机理

2.1 地质力学特征

根据井下原位测试得知，该区最大、最小水平主应力、垂直应力分别为18.1 MPa、9.6 MPa、7.8 MPa，最大主应力方向N69.0°W，与巷道轴线方向夹角21°。地应力量值上属于中等偏高应力区，构造应力占优的应力场类型，相互垂直的主应力差值达到10.3 MPa，围岩偏应力作用明显。

巷道顶板泥岩强度平均值24.3 MPa；K2 石灰岩强度平均值118.2 MPa，坚硬、稳定；煤体强度平均值9.7 MPa，中硬偏软。

2.2 巷道围岩破坏机理

巷道顶帮强度悬殊，顶板为坚硬稳定的厚灰岩层，且厚度是巷道跨度的近2 倍，巷帮为中等偏软的3 号煤层，当巷道开挖后，相较于顶板，煤帮为软弱面，围岩压力会优先从巷帮释放；同时，本区域为构造应力场类型，水平应力会对巷道两帮和顶板产生挤压、剪切作用，且偏应力作用明显，这会导致顶帮的不均衡受力。另外，现场的“重顶板、轻巷帮”支护观念，常常出现顶板支护过度、巷帮支护不足的不合理现状，也会进一步加剧顶帮的不均衡变形。

在开挖影响和原岩应力作用下，煤壁出现极限平衡而产生塑性破坏。巷道顶底板破坏和两帮破坏是相互影响、相互约束的，当巷帮由于压剪破坏而形成剪切面，会向煤体深部传递，从而大大降低煤帮的承载能力，扩大顶板的实际跨距，诱发顶板破坏风险，当顶板跨距增大时会进一步破坏巷帮煤体，进而形成恶性循环，诱发巷道失稳破坏风险。因此，优化坚硬厚层灰岩顶板支护，加强巷帮中软煤体支护，实现顶板协调支护，是改善围岩承载结构、控制巷道变形的关键。

3 顶帮协调支护技术

现在煤矿巷道的主导支护型式是锚杆锚索支护，高预应力支护因其主动性和约束性而得到广泛应用[5-7]。因此，对顶帮的不同支护组合方式进行模拟。方案1：按原有巷道支护参数进行建模，排距1.1 m，顶板采用5 根20 mm 圆钢锚杆进行支护，锚杆预紧力20 kN，锚索17.8 mm，预紧力120 kN，巷帮3 根直径20 mm 的圆钢锚杆，预紧力20 kN；方案2：按高刚度低密度支护参数建模，顶板4 根锚杆，排距1.3 m，间距1.2 m，锚索直径17.8 mm，长度5.2 m，预紧力200 kN；巷帮3 根20 mm 圆钢锚杆，预紧力60 kN。

3.1 最大应力

不同支护方案巷道围岩最大应力分布如图2，最大应力主要集中在巷道顶帮深部位置，这是因为巷道开挖产生的围岩变形向煤岩体深部传递，造成深部岩层应力重分布，方案2 最大应力值相对较小，说明巷道表面的高刚度低密度锚杆索系统有效地约束表面自由移动，避免应力向煤岩体深部传递。

3.2 塑性破坏区

巷道掘进后塑性破坏区主要分布在巷道的四周，方案2 顶帮的剪切和拉伸破坏相对较小，如图3。

4 应用实例

4.1 支护方案

根据以上分析，结合巷道地质条件和支护现状，设计巷道高刚度低密度锚杆锚索支护方案。

顶帮及两帮采用20 mm 圆钢麻花锚杆，屈服强度235 MPa，长度2.0 m，预紧扭矩230 N·m，顶板锚杆间距1.2 m，巷帮锚杆间距0.9 m，顶板排距均1.3 m。

顶板锚索17.8 mm、17 股预应力钢绞线，长度5.2 m，配套高强锁具、调心球垫和300 mm×300 mm×12 mm 拱形托板，居中布置，排距3.9 m；锚索预紧张拉力250 kN；顶帮均采用钢筋托梁和金属经纬网进行护表。巷道支护断面见下页图4。

图2 不同方案最大应力云图

图3 不同方案塑性破坏区分布

4.2 监测与分析

巷道整体平整度和成型性较好，局部段出现小的鼓包下沉，顶板最大下沉量约27 mm，两帮最大移近量约32 mm，围岩变形占巷道尺寸比例较小，见下页图5。

见下页图6，顶板锚索初始预紧力主要集中在140～170 kN 之间，基本达到高预紧力要求，后期部分锚索受力较大，掘进期间最大受力近235 kN；掘进期间锚索受力在前3 d 内迅速增加直至平衡，之后基本维持不变。见下页图7，巷帮锚杆初始预紧力介于35～55 kN 之间，随着掘进进行，锚杆受力迅速增大，最大值约90 kN，局部有震荡，可能与煤炮震动有关。总得来说，巷道处于稳定状态，围岩变形和锚杆锚索受力也都处在允许范围内，满足工作面回采需要。

图4 巷道支护布置图（单位：mm）

图5 表面位移监测

5 结论

1）坚硬厚层顶板巷道，优化顶板支护，加强巷帮支护，实现顶板协调支护，可实现巷道高刚度低密度优化支护，保证巷道安全。

2）提高支护系统刚度，降低支护系统密度，在保证巷道安全条件下，可提高巷道掘进速度，降低支护材料成本。

图6 锚索受力监测

图7 锚杆受力监测

3）优化采用的方法、支护理论及技术，适应于其他类似条件巷道，具有较大的推广应用前景。