木瓜矿10-1002 工作面软弱围岩巷道支护技术研究与应用

夏鹏飞

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西 方山 033100）

1 工程概况

霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿10-1002 工作面位于一采区准备大巷左翼。工作面以东145 m 为南区集中皮带巷；以南为实体煤，紧邻一采区边界；以西为实体煤；以北为一采区三条大巷。工作面开采10#煤层，煤层平均厚度为2.85 m，平均倾角为6°。煤层结构复杂，煤层中部夹三层炭质泥岩，煤层厚度变化不大，属较稳定煤层。工作面区域煤层顶底板岩层特征见表1。

表1 煤层顶底板岩层特征表

10-1002 巷为工作面回采时运料、行人等服务，巷道10#煤层底板掘进，净度×净高=4.4 m×2.8 m。由于巷道顶底板岩层均为泥岩，且泥岩内节理裂隙较为发育，10#煤层结构也较为复杂，故巷道围岩属于软弱围岩。为保障巷道围岩稳定，特进行支护技术研究。

2 巷道支护参数分析

2.1 支护原则

根据10-1002 巷的地质资料可知，巷道围岩较为松软破碎，且巷道掘进区域地质构造较多，巷道掘进期间应力环境较为复杂。根据10-1001 巷的掘进资料可知，巷道采用锚网索支护时，围岩变形量较大，且呈现出明显的非对称性，围岩变形主要表现为顶板整体下沉和两帮煤体向巷道内收敛。基于邻近巷道的变形情况，故在进行10-1002 巷道支护方案设计时，支护重点为控制巷道两帮围岩的稳定。

基于众多支护理论研究及工程实践结果可知[1-2]，针对软弱围岩进行支护时，首先应采用锚杆与钢筋网（金属网）将浅部破碎的围岩体连接成一个整体，形成浅部围岩体的基础承载结构，再进一步通过高预应力锚索将浅部围岩与深部稳定岩层连接为一个整体，充分发挥深部围岩自身的承载能力，同时高预应力锚杆也可对浅部破碎围岩基础承载结构中的薄弱部位进行补强，以充分保证顶板岩层稳定。根据10#煤层结构复杂、节理裂隙发育的特征，并结合巷道两帮变形不均匀的情况可知，巷道左帮变形量明显大于右帮，故在进行支护方案设计时应增强巷道左帮的支护强度，确保巷道顶板与两帮支护结构可形成协调支护[3-4]，保障巷道围岩的整体稳定。

2.2 支护参数设计

根据上述支护原则，结合巷道的地质条件，为提升巷道右帮的支护强度，结合国内外众多工程实践[5]，初步确定巷道左帮采用普通左旋螺纹钢锚杆，右帮采用自攻锚杆。自攻锚杆结构特征如图1，其主要通过杆体上的旋丝与煤岩体之间形成多点接触，实现将锚杆上的预应力更为有效、均匀地扩散至围岩内。采用自攻锚杆支护时，在巷道围岩产生一定变形后，杆体受到的挤压应力会不断增大，进而进一步增强杆体与煤岩体的接触，杆体与煤岩体间的摩擦阻力也随着逐渐增大，进而实现阻止围岩进一步变形的目的[6-7]。

图1 自攻锚杆结构示意图

基于矿井邻近巷道的支护方案及自攻锚杆的特征，为确定巷道的合理支护方案，现采用FLAC3D数值模拟软件进行支护方案的设计。设计三组支护方案进行对比分析，具体三种模拟方案的支护参数如下：

（1）方案一：巷道采用普通锚网索支护，顶板采用Φ22 mm×2400 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为950 mm×1000 mm；顶板布置2 个锚索，锚索采用高强度低松弛钢绞线，规格为Φ21.6 mm×6300 mm，间排距为1500 mm×2000 mm；巷帮顶角和底角锚杆采用与顶板规格、材质相同的锚杆，帮部煤体部分采用全长自攻锚杆，规格为Φ22 mm×2500 mm，其余锚杆采用Φ22 mm×2400 mm 的螺纹钢锚杆。锚杆与锚索间通过钢筋梯子梁连接，巷道表面铺设10#铁丝编制的金属网。

（2）方案二：在方案一支护参数的基础上，调整顶板锚杆的排距为800 mm，顶板锚索间排距为1500 mm×1600 mm。

（3）方案三：在方案二支护参数的基础上，巷道左帮顶角和底角锚杆采用Φ22 mm×2500 mm的全长自攻锚杆，煤体部分锚杆采用规格为Φ22 mm×3500 mm 的全长自攻锚杆。

根据数值模拟结果能够得出三种不同支护方案下的围岩变形量及巷道不均变形系数，具体对比分析如下：

（1）围岩变形量。巷道在三种支护方案下围岩变形量曲线如图2。

分析图2 可知，巷道在三种支护方案下，随着支护强度的增大，围岩变形量呈现逐渐降低的趋势。巷道在第一种支护方案下围岩变形量较大，其中顶板下沉量、右帮位移量、左帮位移量最大值分别为210 mm、194 mm 和246 mm，巷道两帮仍表现为明显的不均匀变形特征；巷道在采用支护方案二后，巷道围岩变形量明显减小，围岩变形量基本满足要求，但此时巷道左右两帮仍呈现出明显的不对称变形，左帮最大变形量为175 mm，右帮最大变形量为138 mm；当巷道采用支护方案三时，围岩变形量进一步减小，巷道左右两帮的变形量也基本相同，顶板下沉量及左右两帮变形量均在150 mm 以内，可保障围岩的稳定。

（2）巷道不均匀变形系数。根据数值模拟结果能够得出巷道在三种支护方案下的不均匀变形系数如图3。

图3 巷道不均匀变形系数曲线图

分析图3 可知，巷道在采用方案一进行围岩控制时，最大不均匀变形系数为4.1，采用方案二进行围岩控制时，最大不均匀系数为3.6，采用方案三时最大不均匀系数仅为2.6。据此可知巷道由方案一变为方案二支护时，围岩变形不均匀系数降低幅度较小，而巷道由方案二变为支护方案三时，围岩不均匀系数大幅下降，巷道顶底板及两帮变形量均较为协调，即巷道的不均匀变形得到了有效控制。

巷道在采用支护方案三时，围岩变形量得到了有效控制，且巷道的不均匀变形也得到了有效解决，保障了两帮的均匀变形，实现了巷道内的协调支护，能够有效地保障巷道围岩的稳定。

3 支护方案及效果

3.1 支护方案设计

（1）顶板支护。巷道顶板采用Φ22 mm×2400 mm 的螺纹钢锚杆，间排距为950 mm×800 mm，托盘采用鼓形托盘，锚固方式为端头锚固，预紧扭矩为250 N·m。锚索采用1×7 股钢绞线，参数为Φ21.6 mm×6300 mm。每两排锚杆间布置两根锚索，锚索间排距为1500 mm×1600 mm，锚杆与锚索之间采用长度为1800 mm 的钢筋梯子梁连接，10#铁丝编制的金属网进行护顶。

（2）两帮支护。煤柱帮煤体部分锚杆采用Φ22 mm×3500 mm 的全长自攻锚杆，间排距为800 mm×800 mm，帮顶角和帮底角锚杆采用规格为Φ22 mm×2500 mm 的全长自攻锚杆，锚杆预紧力均为200 N·m，帮顶角和帮底角锚杆与巷帮成15°布置，其余锚杆均垂直于巷帮布置；巷道回采帮中部煤体部分锚杆采用Φ22 mm×2500 mm 的全长自攻锚杆，锚索参数同煤柱帮，顶角和底角锚杆采用规格Φ22 mm×2400 mm 的螺纹钢锚杆，排距800 mm，预紧扭矩为200 N·m。帮部锚杆采用圆钢焊接长度为2700 mm 的钢筋梯子梁连接，金属网护帮。

具体10-1002 巷道的支护方式示意图如图4。

图4 10-1002 巷道支护断面示意图

3.2 效果分析

10-1002 巷道支护方案实施后，通过巷道掘进期间的围岩变形监测分析，能够得出巷道围岩变形量随时间变化的曲线图如图5。

分析图5 可知，随着巷道掘出时间的增长，巷道围岩顶底板和两帮移近量均不断增大。顶底板及两帮变形主要集中在巷道掘出后0～30 d 内，当巷道掘出后30 d 后，围岩变形速率大幅减小，围岩变形逐渐趋于稳定，最终巷道顶底板及两帮最大变形量分别为169 mm 和195 mm，围岩变形量较小，支护方案保障了巷道围岩的稳定。

图5 巷道围岩变形量曲线图

4 结论

根据10-1002 巷道的地质条件及邻近巷道支护经验，通过分析巷道条件确定巷道支护重点为控制巷道两帮围岩的稳定，进一步采用数值模拟进行支护参数的设计分析，确定巷道帮部采用全长自攻锚杆，结合巷道特征进行具体支护参数设计。根据巷道围岩变形曲线可知，支护方案保障了巷道围岩的稳定。