新景煤矿9114回风巷围岩稳定性控制技术研究

张 斌

（山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000）

随着煤炭资源的不断开采，回采技术的不断进步[1-2]，为了与工作面的高产高效相匹配，所布置的回采巷道断面也在不断扩大，同时巷道所处的地质条件也愈加的趋于复杂[3-4]，这对巷道围岩稳定性的有效控制提出了更高要求[5]。

新景煤矿9114回风巷为大断面巷道，所处地质条件较为复杂，出现了顶板下沉、大量锚杆（索）剪切破断的现象，巷道围岩控制效果较差。探究该巷道的失稳破坏原因，并对原支护方案进行相应优化，已成为急需解决的问题。

1 工程概况

9114回风巷服务于9114综采工作面，该工作面埋深450 m，所采煤层为9号煤层，煤层厚度为5.2 m，煤层倾角为3°～14°，平均8°，内生裂隙较为发育。9114回风巷巷宽5.2 m，巷高3.5 m，沿9号煤层底板掘进，巷道设计总长为750 m，现已掘进至450 m处。该巷顶板共布置5根高强螺纹钢锚杆，直径为20 mm，长度为2 m，间排距为1000 mm×1000 mm；距巷道中心两侧1300 mm处分别布置一根Φ17.8 mm×6200 mm的低松弛高强锚索，排距为1000 mm；帮部则布置4根规格为Φ22 mm× 2000 mm的高强螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1000 mm。巷道断面支护如图1。9114回风巷顶板存在着一定的淋水现象，在原支护方案的支护下该巷大量锚杆、锚索严重失效，不能对巷道围岩的稳定性起到较好的控制效果。

图1 巷道断面支护示意图（m）

2 现场实测

2.1 围岩力学参数测试

为了掌握9114回风巷顶底板围岩的物理力学性质，在该巷中选取合适的位置进行钻孔取芯，并在实验室对所取岩芯的力学性质进行了测试，测试结果统计于表1之中。

表1 巷道围岩物理力学参数

从表1中看出，9114回风巷的直接顶为泥岩，层厚度为1.8 m，抗拉强度、抗压强度偏低，分别为1.35 MPa和19.2 MPa。直接顶上方有一层0.5 m厚的煤线，基本顶则为砂质泥岩和炭质泥岩，层厚分别为3.2 m和8.4 m，强度整体较高。

2.2 顶板围岩窥视

为了进一步对巷道围岩的破坏情况进行研究，在巷道中选取合适的位置布置窥视孔，图2为窥视结果。

图2 窥视结果图

从图中看出，顶板1.2 m和2.2 m深处围岩较为破碎，6.7 m深处有两条较长的纵向裂隙，7.2 m深处孔壁较为光滑，围岩完整性较好。

2.3 岩石崩解实验

9114回风巷顶板存在着一定的淋水现象，为了探究淋水对顶板围岩稳定性的影响，对所取砂质泥岩以及泥岩的岩芯展开岩石崩解实验。所得到的岩样崩解过程曲线如图3。

图3 岩样崩解过程曲线

从图中曲线看出，在前四个小时内，岩样的崩解率快速上升，随着时间的推移，岩样的崩解过程曲线逐渐趋于平缓。其中泥岩的崩解率较大，24 h后达到了56.7%，砂质泥岩的崩解率较小，24 h后为27.3%。

2.4 地应力测试

9114回风巷顶板多根锚杆锚索出现了剪切破坏以及拉断的现象，为了探究巷道顶板的受力情况，在该巷选取合适的位置布置地应力测站，使用水压致裂法对9114回风巷的地应力展开测试，测试结果见表2。

由表2可知，9114回风巷四个测站的侧压系数分别达到了1.47、1.43、1.4和1.38，侧压系数平均值则达到了1.42，该巷受水平应力较为明显。

表2 地应力测试结果

3 数值模拟分析

依据9114回风巷的实际地质条件，建立FLAC3D数值模拟模型，对该巷围岩的摩尔-库伦安全系数分布状况进行了数值模拟，模拟结果如图4。

图4 摩尔-库伦安全系数分布图（mm）

从图中可以看出，距顶板2.4 m范围内该巷的摩尔-库伦安全系数偏小，围岩较为破碎，当锚杆长度长于2.4 m时，锚杆锚固段才能位于较稳定的岩层之中，充分地发挥锚杆的悬吊组合作用。

4 巷道破坏原因分析

根据现场实测以及数值模拟结果，将9114回风巷围岩稳定性较差的原因归结为如下：

（1）9114回风巷存在着少量的淋水现象，而该巷的直接顶为泥岩，该岩层强度较低，遇水易崩解，两帮则为较为松散的煤体。原支护方案的支护密度较低，所施加的预紧力较小，不能对巷道围岩的稳定性形成较好的控制。

（2）该巷顶板水平应力显现，而原支护方案中，锚杆、锚索直径均较小，强度偏低，受较高水平应力影响，易发生剪切破坏。

（3）窥视结果及数值模拟结果均显示顶板深处2.4 m范围内围岩较为破碎，而原支护方案中顶板锚杆的长度为2 m，锚固段没有锚固在完整性较好的岩层中。

5 支护方案优化

依据巷道破坏原因，对原支护方案进行如下优化：

（1）在原方案的支护基础上，将顶板锚杆的间排距缩减为1000 mm×800 mm，锚杆直径加粗至22 mm，长度加长至2.5 m。锚索直径则加粗至19.6 mm，长度加长至7.2 m。每排布置三根，其中巷中布置一根，距巷道中心两侧1300 mm处分别布置一根，间排距同样缩减至100 mm×800 mm。

（2）两帮锚杆直径加粗至22 mm，长度加长至2.5 m，间排距改为900 mm×900 mm。

（3）在布置锚杆（索）的过程中，锚杆所施加的预紧力由原来的45 kN提高至60 kN，锚索的预紧力由原来的125 kN提高至150 kN。优化后的巷道断面支护如图5。

图5 优化后的巷道断面支护示意图（m）

6 工程监测

9114回风巷采用优化方案支护后，在现场布置测点，对该巷的围岩稳定性展开了为期一个月的现场监测，监测结果如图6。

从图中看出，巷道在原支护方案支护下顶底板收敛量、两帮移近量分别达到了497 mm、285 mm，巷道围岩变形较大。采用优化方案支护后，顶底板收敛量、两帮移近量则分别降低至96 mm、64 mm，与优化前相比分别减少了80.7%、77.5%，巷道围岩稳定性得到了显著提高。

7 结论

（1）9114回风巷为大断面巷道，顶板水平应力显现，且2.4 m深处范围内围岩完整性较差，遇水易崩解，同时巷道的支护强度偏低，在上述因素的影响下巷道围岩破坏严重。

（2）在优化方案的支护下，9114回风巷顶底板收敛量、两帮移近量与优化前相比分别减少了80.7%、77.5%，巷道围岩稳定性得到了显著提高。