回坡底煤矿K2灰岩地质力学分析及巷道支护研究

冯锦鹏，季卫斌，范彦阳，陈广帅

(1.霍州煤电集团有限责任公司回坡底煤矿，山西 霍州 031400；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；3.霍州煤电集团责任有限公司技术研究院，山西 霍州 031400)

0 引言

回坡底煤矿的主采煤层为10#煤和11#煤，10#煤平均厚度2.67 m，11#煤平均厚度3.3 m。9#～10#煤层直接顶板为石灰岩，厚7.6～9.3 m，平均8.9 m，分布稳定。矿井地质报告显示，开采区域内构造简单、煤层赋存浅、地应力小、而灰岩顶板厚度大、强度高、分布稳定。矿井初步设计时K2灰岩顶板的支护形式为：顶板采取锚网梁支护，两帮部位采取铺杆支护。煤矿的生产实践表明：此种支护方式成本较高，施工速度较慢，经济技术不尽合理。因此，K2灰岩顶板巷道的围岩稳定性及合理的支护方式已成为回坡底煤矿亟待解决的重大技术难题之一。

1 地质力学测试

为了掌握回风大巷围岩基础参数，为巷道支护形式与参数选择提供基础数据，在回坡底煤矿进行了详细的地质力学测试，测点位于回风大巷附近10#煤中。

1.1 围岩结构

图1 围岩结构

1.2 围岩强度测试及分析

采用WQCZ-56型围岩强度测试装置，在窥视钻孔内对巷道顶板10 m范围煤岩层的强度进行了测试。测试数据经过统计、分析和换算后，得到测站顶板煤岩体强度分布特征，测点顶板煤岩体强度测试结果，如图2所示。

图2 顶板岩体强度测试结果

对照顶板10 m以下和两帮煤体强度测试结果，得到以下结论：顶板以上0～2.0 m为泥岩，岩层强度平均值为23.17 MPa;2.0～3.0 m为9#煤，煤体强度平均值为17.26 MPa；3.0～10 m为K2灰岩，岩层强度平均值为100.39 MPa。

地应力测量的主要目的是掌握试验对象的应力环境，为巷道布置方位选择和支护参数强度设置提供理论依据。地应力测量结果见表1。

通过地应力测量，掌握了回风大巷附近地应力大小和方位。

表1 地应力测量结果

556回风大巷附近最大水平主应力为9.32 MPa，垂直主应力8.77 MPa，从地应力量值而言，区域基本属于低地应力场，较有利于巷道支护。

根据地应力巷道布置理论，最大水平主应力的方向是指导掘进巷道布置方向的主要理论依据。对于σH>σV>σh型应力场，巷道最佳布置形式巷道轴向与最大主应力的方向呈某一夹角，夹角大小与主应力大小有关，最优巷道轴向与最大水平主应力的夹角可用式(1)计算。

(1)

式中：σH=9.32 MPa；σh=4.99 MPa；σv=8.77 MPa。

接受新教学法实习学生的理论知识及临床技能分数，均优于传统教学法组学生，差异具有统计学意义（P＜0.05），见表1。

通过计算可知α0=69°。巷道轴向为N119°W，与最大水平主应力方向夹角为67°，虽非最佳布置方位，但是只相差2°，巷道变形受到最大水平主应力方向的影响很小，支护参数设计基本不需要考虑这一影响因素。

2 灰岩顶板巷道围岩破坏特征及应力分析

本次采用有限差分数值计算程序FLAC3D软件，提出3种不同强度的支护方案，分别分析不同支护强度下K2灰岩直接顶板回风大巷围岩破坏特征及应力状态。

2.1 建立模型

根据556回风大巷实际地质条件，建立对应的FLAC3D数值模型，模型尺寸为260 m×100 m×30 m。模型如图3所示，在建模过程中严格按照地质剖面图的尺寸，三维模型的边界条件为：上部为应力边界，四周和底部为铰支边界。

图3 数值模型图

根据理论分析和现有工程实践，提出3种支护方案，如图4所示。

a-方案一;b-方案二;c-方案三图4 3种方案支护图

方案一：回风大巷顶板不支护，两帮各3根锚杆，杆体规格为φ20 mm×2 000 mm的左旋螺纹钢锚杆，锚杆预紧力矩300 N·m。

方案二：回风大巷顶板采用2根锚索支护，锚索材料为φ17.8 mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度6 300 mm，间距1 800 mm，沿巷道轴线对称布置，排距2 000 mm，锚索初始张拉力为200 kN。两帮各3根锚杆，杆体规格为φ20 mm×2 000 mm的左旋螺纹钢锚杆，锚杆预紧力矩300 N·m。

方案三：中回风大巷顶板4根左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆直径20 mm，锚杆长度2 000 mm，沿轴线对称布置，间距1 400 mm，排距2 000 mm，锚杆预紧力矩200 N·m；一根锚索，锚索材料为φ17.8 mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度6 300 mm，排距4 000 mm，锚索初始张拉力为200 kN。两帮各3根锚杆，杆体规格为φ20 mm×2 000 mm的左旋螺纹钢锚杆，锚杆预紧力矩300 N·m。

2.2 巷道受力与变形模拟分析

图5为3个方案中回风大巷围岩垂直应力分布情况。

a-方案一;b-方案二;c-方案三图5 巷道垂直应力分布图

从图5中可以看出，巷道开挖后，垂直应力向巷道两帮集中，方案一中顶板无支护，两帮最大垂直应力略大于方案二和方案三最大垂直应力值，方案二和方案三两帮垂直应力值比较接近。

2.3 实验观测

在巷道表面建立位移监测点，对回风大巷的变形进行监测，得出3个方案中巷道顶底板和两帮最大位移值见表2。

从表2可以看出，方案二和方案三中巷道变形较为接近，方案一中巷道变形略大于方案二和方案三。总体来看，3个方案中巷道变形均不严重，回风大巷围岩稳定性较好。说明由于直接顶板为坚硬K2灰岩，顶板支护对围岩稳定性影响不大。

3 现场支护方案及效果

3.1 支护原则

根据以上分析，结合一次支护原则、高预应力和预应力扩散原则，“三高一低”原则(即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则)，临界支护强度与刚度原则，相互匹配原则，可操作性原则，在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。

表2 巷道围岩变形情况

3.2 支护方案

顶板完整段：在顶板K2灰岩完整性好、裂隙不发育的情况下，采用方案一支护方法，顶板不采取支护措施，两帮采取锚杆支护。由于K2灰岩硬度较大，难于钻进，这样可以节约大量人力物力，大幅度提高掘进速度，带来可观的经济效益。另一方面，由于回风大巷受采动影响较小，可实现安全生产。

顶板裂隙发育段：在顶板K2灰岩裂隙较为发育的情况下，采用方案二支护方法，顶板采用锚索支护，二二布置，视顶板完整情况选择是否采用钢筋网，两帮采取锚杆支护。一方面避免在K2灰岩上钻进锚杆孔，节约人力物力，大幅度提高掘进速度。另一方面，根据以上研究结果，可实现安全生产。

3.3 效果

上述支护方案于2016年1月份提交煤矿并开始施工，施工期间密切观测巷道围岩情况，强调施工质量，并在巷道围岩表面建立表面位移测站，到目前为止巷道已使用近一年时间，围岩稳定性较好，巷道围岩变形监测结果如图6所示。巷道顶底板最大移近量为110 mm，两帮最大移近量为60 mm，巷道围岩稳定，支护效果良好。

图6 巷道围岩变形情况

4 结论

(1)根据地应力测试结果，巷道所在区域基本属于低地应力场，较有利于巷道支护，顶板K2灰岩岩层强度平均值为100.39 MPa，结构完整，巷道变形受到最大水平主应力方向的影响很小，支护参数设计基本不需要考虑这一影响因素。

(2)根据理论分析和工程经验提出3个支护方案，根据数值模拟结果，结合具体地质条件，采用方案一和方案二相互配合的支护方式。

(3)经过现场施工监测，巷道顶底板最大移近量为110 mm，两帮最大移近量为60 mm，巷道围岩稳定，支护效果良好。