8605 运输巷复合顶板巷道稳定性控制研究

杨大炳

（山西大同煤矿集团有限公司煤峪口矿，山西 大同 037003）

1 工程概况

煤峪口矿8605 工作面开采14-2 号煤层，工作面位于矿井900 m 水平的406 盘区，工作面地面标高1 284.3～1 319.7 m，井下标高900～926 m。8605工作面北部为已回采的8603 工作面，南部为已回采的8607 工作面，西部为408 东部盘区巷，东部为404盘区巷，如图1。8605工作面开采煤层均厚3.5 m，平均倾角为2°，煤质较硬且富含节理。煤层伪顶为灰色细砂岩与粉砂岩互层，平均厚度2.54 m，以石英、长石为主，钙质胶结；直接顶为灰色粉细砂岩，平均厚度0.4 m，与伪顶性质相似但与上部粘结较弱；基本顶灰白色粗砂岩，平均厚度3.08 m，胶结坚实，底部有部分煤线。

8605 工作面平均埋深达450 m，地应力水平较高，巷道容易在较大的水平应力影响下出现长时间大范围的变形，不容易控制。顶板伪顶与直接顶的厚度在3 m 左右，性质相似，但直接顶与上方基本顶之间的粘结性较差，岩层结构较破碎，力学强度不能得到保证，容易和上层岩层出现离层。受8603和8607 已回采完工作面的残余支承应力影响，巷道围岩应力环境较差。因此，研究在8605 工作面复合顶板条件下巷道稳定性的控制技术显得尤为重要。

图1 8605 工作面井下位置布置图

2 复合顶板巷道变形破坏控制分析

2.1 复合顶板的变形破坏机理

复合顶板状态下，主要受顶部岩层结构体、结构面和其相互组合关系影响，其中尤其以组合面的作用最为突出。结构面的产状、性质和发育密集程度都对岩体变形产生巨大影响，岩体受作用力的方向与产状方向具有明显相关性，结构面的张开、闭合、充填等程度与岩体的强度密切相关，岩体中结构面越密集，破碎程度就越大[1-2]。

8605 工作面的伪顶与直接顶作为复合顶板状态，在外载荷的作用下，会出现完整状态和松散软岩状态两种运动形式，其移动破坏形式可以大致划分为以下三类情况[3-5]：第一类是沿分层面的相对滑动阶段。巷道开挖后顶板岩层承载上覆岩层重量，巷道围岩出现变形破坏，复合顶板分层间的应力满足发生剪切破坏的条件，产生层间滑动现象，造成岩层破碎程度进一步升高。复合顶板滑动的范围与巷道断面尺寸相关，分层厚度较大的情况下，复合顶板出现垂直张开的裂隙，当分层厚度较小的情况下，复合顶板下层位岩层会出现脱开而离层趋势。第二类是分层之间的离层阶段。复合顶板分层出现相对滑动之后，顶板应力状态出现变化，岩层的变形继续发展，表现为顶板下沉程度进一步加大，而复合顶板不同性质岩层下降速度不同，出现离层的数量及层数也不断增加。第三类是不断弯曲折断阶段。当复合顶板悬空跨度达到极限跨距时，就会出现张拉破断，破断出现后，向上逐渐垮落。

2.2 复合顶板综合治理措施分析

由于8605 工作面复合顶板控制的难度较大，可以采用阶段性强化支护原理进行控制，主要分为造壳成梁阶段、加强梁阶段、形成“类刚性梁”阶段。基于此，可以采用“帮顶同治”方式进行围岩强化工作。对8605 工作面，需要同时加强巷帮和顶板的协同强化来提高围岩的整体承载能力，通过金属网、钢带、锚杆等材料先将巷道围岩浅部位移形成支护结构，减少裂隙发育和岩体膨胀，之后通过锚索在浅部支护的基础上锚固巷道深部岩层，相当于形成顶板复合岩层的加强梁结构，形成更大承载力的锚固体。“类钢性梁”结构形成之后，顶板承载能力大大加强，巷道两帮集中应力和破坏程度进一步减弱，另一方面“梁”的厚度大大增加，在垂直应力作用下不易产生挠曲破坏，同时存在的水平应力只会使得顶板产生较小的压缩变形和裂隙发育，之后再对巷帮围岩进行锚杆加固处理，形成完整的“帮顶同治”的控制效果。

3 8605 工作面运输巷围岩控制技术

3.1 锚杆索支护控制方案

根据对复合顶板巷道变形破坏特征的分析，在8605 工作面运输巷采用锚网索进行巷道围岩控制。8605 工作面运输巷断面为5200 mm×3400 mm，采用锚网+W 钢带+锚索支护。顶锚杆采用规格为Ф20 mm×3000 mm 的螺纹钢锚杆，杆体间排距为800 mm×800 mm，靠近巷肩两侧杆体与竖直方向成15°向外布置，锚固剂采用MSCK2335、MSK2360 的树脂锚固剂各一支，托盘规格为120 mm×120 mm×12 mm，杆体预紧力为400 N·m，顶部W型钢带型号为BHW-250-3.0，长度采用5.0 m，菱形网规格为2000 mm×1000 mm，网孔大小为50 mm×50 mm，相互搭接长度为100 mm。顶部锚索采用型号为Ф18.9 mm×7300 mm 的1860 钢绞线，间排距为1600 mm×1200 mm，采用“一二”式的“三花”布置，树脂锚固剂型号为1 支MSCK2335 和3支MSK2360，预紧力要大于350 kN，锚索采用平托盘，托盘尺寸为300 mm×300 mm×16 mm。帮锚杆采用杆体型号为Ф20 mm×3000 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，最下方或最上方锚杆均和底部或顶部距离为100 mm，并与水平方向成15°分别向下或向上倾斜，W 型刚带型号同样采用BHW-250-3.0，长度采用3.2 m。8605 工作面运输巷支护方案的剖面图和俯视图如图2。

3.2 巷道控制效果分析

在8605 工作面运输巷掘进和回采期间采用“十字布点法”监测巷道表面位移变化情况，巷道布置测站间距为30 m，共布置11 个测站，监测周期为150 d，监测结果见表1。监测结果显示，巷道变形最大位置在7 号测站，顶板下沉量达73 mm，两帮移近量达147 mm，变形最小位置为11 号测站，最小值分别为38 mm 和52 mm。根据监测结果的趋势可知，8605 巷道顶板稳定时间在20 d 左右，两帮稳定时间在25 d 左右，之后无论是顶底板移近量还是两帮移近量都未出现急剧上升的趋势，说明此时巷道完整性正逐步得到保证，“帮顶同治”的效果得到很好验证。另外，从巷道锚杆索受力监测及表面完整性观察中，锚杆索未出现拉断或失效情况，钢带也未出现撕裂状况，菱形网规格保持完好，顶板破碎程度不明显，巷道控制结果减少了二次维护费用，降低了工人劳动强度，能够实现矿井安全高效生产。

图2 8605 工作面运输巷支护断面

表1 两帮位移观测结果汇总表

4 结论

8605 工作面受临近采空区残余支承应力影响较大，工作面巷道顶板呈现多层复合顶板状态，受复合顶板结构面产状性质影响，容易出现拉伸破断，造成巷道围岩整体失稳。基于此，在“帮顶同治”的治理思路下，对复合顶板和巷帮围岩进行协同强化处理，采用锚网索+钢带方式进行围岩控制，实践控制效果表明巷道围岩变形可控，锚杆索受力稳定，劳动强度降低而经济效益增加，能够满足矿井安全高效生产的要求。