厚软弱顶板岩层巷道围岩控制技术研究与应用

刘小军

（华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000）

以井工开采为主的煤矿，需要掘进大量的地下巷道，保证巷道在服务期内的稳定直接关系到煤矿的安全高效开采［1-2］。当巷道掘进揭露赋存较厚、岩性软弱的顶板岩层，采用普通的锚网索支护时，锚杆锚固在破碎围岩区域；而由于厚软弱顶板岩层使锚索无法锚固至基本顶稳定岩层，易出现顶板整体性下沉现象，从而诱发巷道灾变型失稳［3-5］。为此，本文以新大地公司15303 工作面回风顺槽掘进揭露8.18 m厚的黑色软弱泥岩为工程背景，通过分析厚软弱顶板岩层下巷道围岩变形破坏特征，提出采用高密度锚索进行顶板支护，使锚索形成的压应力区相互叠加并在软弱顶板岩层内形成拱形承载结构，从而实现厚软弱顶板岩层下巷道围岩的稳定控制。

1 工程概况

新大地公司15303 工作面回风顺槽位于井田三采区，水平标高为+979～+1 036 m；东部为已采的15302 工作面，西部为设计未采的15304 工作面，北部为西翼采区大巷，南部与山西运通煤业有限公司（原九京煤矿及井玉沟煤矿）相邻，巷道沿15#煤层顶板掘进。巷道揭露煤层赋存较稳定，煤层厚度在5.00～5.80 m之间，平均煤厚5.52 m，结构简单，煤层节理较发育；直接顶为黑色泥岩，平均厚度8.18 m，性软，断口平坦状，含植物根茎化石；基本顶为黑灰色细砂岩，平均厚度7.82 m，薄层状，水平层理，粉粒结构，块状构造，成份以砂质为主；直接底为砂质泥岩，平均厚度2.80 m，性脆，断口参差状，含丰富的植物化石。15303 工作面回风顺槽设计断面为矩形断面，掘进宽度5.2 m，掘进高度4.2 m。

15302 工作面位于15303 工作面东部，其顶板赋存特征与15303 工作面类似，在15302 工作面回采巷道采用普通的锚网索支护，掘进过程中出现严重巷道变形现象，直接影响到工作面的安全高效开采，其变形破坏特征（见图1）如下：

图1 巷道变形破坏特征

1）巷道顶板出现大范围下沉现象，顶板下沉量高达600～700 mm；钢带和金属网扭曲、反转严重，网兜现象明显，局部出现顶板整体性下沉（锚杆锚固区域整个下沉），冒顶现象严重。

2）巷道两帮顶角和底角位置出现严重的滑移现象和压剪破坏，帮部局部区域整体外移，裂隙发育程度较高。

由于15302 工作面回采巷道掘进时期变形严重，影响了巷道掘进效率，造成了采掘接续紧张局面。因此，在类似条件下15303 工作面回风顺槽掘进支护时，必须采取具有针对性的技术参数，已保证巷道掘进效率。

2 厚软弱顶板岩层下巷道围岩控制技术

试验巷道掘进揭露8.18 m厚的黑色软弱泥岩，易出现顶板整体性下沉现象，巷道围岩维护困难。基于此，经多次分析研究后，针对性地开发了厚软弱顶板岩层下巷道围岩控制技术。该技术采用高密度锚索进行顶板支护，使锚索形成的压应力区相互叠加并在软弱顶板岩层内形成拱形承载结构，从而实现厚软弱顶板岩层下巷道围岩的稳定控制。

其支护参数如下：

1）顶板采用高密度锚索+W钢带+ 经纬网联合支护。具体支护形式为：顶部每排布置5 根锚索，锚索布置于钢带上，间距1 200 mm，排距为1 000 mm；经纬网选用6 000 mm×1 100 mm的经纬网，长边垂直掘进方向铺设；W钢带选用5 000 mm×280 mm×4 mm（长×宽×厚）；顶锚索选用Ф21.6 mm×7 200 mm钢绞线，垂直于顶板支护，锚索配套选用300 mm×270 mm×12 mm可调心拱形高强托板，锚固剂选用2 支MSCK Ф 23 mm/1 200 mm型；张拉预紧力不小于300 kN，使用YCD-22-370 型号张拉千斤顶，压力表读数为50.9 MPa为合格。具体锚杆索布置和支护参数见图2。

2）帮部采用锚杆+ 锚索+ 经纬网支护。具体支护形式为：每排每帮布置4 根锚杆，布置2 根帮锚索，最上排锚杆距顶为400 mm，锚杆间距为1 000 mm，最下排锚杆距底板为800 mm，排距1 000 mm，锚索间距2 000 mm，排距为1 000 mm；锚杆垂直巷帮支护，帮锚杆选用钢号335、规格Ф20 mm×2 200 mm的高强锚杆，锚杆配套选用120 mm×120 mm×10 mm可调心拱形高强托板，锚杆锚固剂选用2 支MSCK Ф23 mm/600 mm型，锚杆预紧扭矩不低于300 N·m；帮锚索选用Ф17.8 mm×4 200 mm 钢绞线，锚索配套选用300 mm×270 mm×12 mm可调心拱形高强托板，锚索锚固剂选用1 支MSCK Ф23 mm/1 200 mm型；锚索张拉预紧力不小于230 kN，使用YCD-22-370 型号张拉千斤顶，压力表读数为40 MPa为合格；经纬网选用6 000 mm×1 100 mm的经纬网。锚杆索布置和支护参数见图2。

图2 巷道支护断面

3 巷道围岩控制效果

将开发的厚软弱顶板岩层下巷道围岩控制技术应用于新大地公司15303 工作面回风顺槽。技术应用后，现场监测围岩变形情况，图3 中给出了试验巷道掘进影响至稳定时期的围岩变形曲线图。由图可知：试验巷道掘进影响时期大约110 d，该阶段内巷道产生较大变形；巷道掘出0～80 d内巷道变形速度相对较快，该阶段顶板、底板、实煤体帮、煤柱帮变形速度分别约1.4 mm、1.7 mm、1.1 mm、1.2 mm/d，累计变形量分别为114 mm、132 mm、88 mm、97 mm；巷道掘出80～110 d内巷道变形速度相对较慢，该阶段顶板、底板、实煤体帮、煤柱帮变形速度分别约0.4 mm、0.5 mm、0.3 mm、0.3 mm/d，累计变形量分别为11 mm、15 mm、9.9 mm；巷道掘出110d后试验巷道处于稳定时期，此时巷道顶板、底板、实煤体帮、煤柱帮累计变形量分别为126 mm、149 mm、97 mm、106 mm。综上所述，巷道围岩变形量均较小，但未对巷道底板进行支护，属于薄弱区域，变形量相对较大。同时，现场调研发现，巷道顶板完整性较好，未出现大范围的顶板下沉现象，证明了厚软弱顶板岩层下巷道围岩控制技术的合理性和优越性。

图3 试验巷道变形曲线

4 结语

针对厚软弱顶板岩层下巷道维护困难问题，以新大地公司15303 工作面回风顺槽掘进揭露8.18 m厚的黑色软弱泥岩为工程背景，分析了厚软弱顶板岩层下巷道围岩变形破坏特征，设计了厚软弱顶板岩层下巷道围岩控制技术。该技术采用高密度锚索进行顶板支护，使锚索形成的压应力区相互叠加并在软弱顶板岩层内形成拱形承载结构，从而实现厚软弱顶板岩层下巷道围岩的稳定控制。该技术应用后，有效解决了厚软弱顶板岩层下巷道维护难题，实现了15303 工作面回风顺槽的稳定控制。