基于围岩分类结果煤巷支护设计研究与应用

赵文生

（阳泉市燕龛煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045060）

1 工程概况

燕龛煤炭有限责任公司程庄煤矿现开采的15#煤层结构简单～复杂，15#煤层顶底板岩性特征如图1 所示。15310 工作面煤层厚度为6.5～8.65m，平均厚度为6.8m，为三采区北翼第五个工作面，埋藏深度304.6～376.8m。工作面东部为15308 设计工作面，西部为15312 设计工作面实体煤，南部为15#煤层主要大巷，北部为山西煤炭运销集团盂县恒泰皇后煤业有限公司，15310 工作面停掘位置距程庄煤矿矿界20m。采用综合机械化放顶煤开采，回采巷道受到采动影响剧烈，为确保巷道服务期间围岩的稳定性，以15310 进风顺槽的掘进为背景展开研究。

2 15310 工作面巷道围岩地质力学评估

2.1 水压致裂地应力测量

为具体了解程庄煤矿15310 进风顺槽围岩地应力的特点，设计在15310 工作面临近的15308 进风顺槽进行水压致裂地应力测量试验。采用SYY-56型水压致裂地应力测量仪实时记录围岩压裂过程中的压力随时间的变化，根据测到的水力压裂曲线分析得到围岩的破裂压力、重张压力和瞬时关闭压力[1-2]，通过相应的公式换算得到围岩的最大、最小水平主应力和垂直应力，结合电子指南针北向与印模器基线夹角，计算得到测点各个应力的方向。本次测试测点布置在15308 工作面进风顺槽150m 处，水压致裂地应力测量结果如图2 和表1 所示，压裂钻孔距离巷道底板1.1m，测试位置距孔口13.7m。

第一测点水力压裂曲线经水压致裂数据处理软件分析计算得出：破裂压力：Pb=10.61MPa；重张压力：Pr=6.81MPa；瞬时关闭压力：Ps=5.66MPa。

水压致裂地应力测试段埋深约为370.2m，由此可计算出：最大水平主应力：σH=9.83MPa；最小水平主应力：σh=5.49MPa；垂直主应力：

σv=9.25MPa。

图 1 15#煤层顶底板岩性特征

图 2 测点最大水平主应力定向结果（北偏东40.0°）

表1 程庄煤矿水压致裂地应力测量结果

2.2 围岩强度测试

水压致裂地应力测试结束后，在测试钻孔内安装WQCZ-56 型围岩强度测试仪[3]，对巷帮深度10m 范围内煤体的强度进行了原位测试，并在测点附近对顶板施工钻孔，对顶板上方10m 范围内岩体的原位强度进行测试。通过对于现场检测数据的整理、换算，得到15308 进风顺槽顶板和煤帮煤岩体的强度随深度的变化规律如图3 所示。

图3（a）所示结果为巷道帮部煤体强度随深度变化曲线，可以看出，巷帮浅部（0～2m）煤体强度较低，深度大于2m 后煤体的强度存在较小的波动，总体而言帮部煤体的强度平均约为12.55MPa。图3（b）所示结果为巷道顶板煤岩体强度随钻孔深度的变化，可以看出，巷道上部首先为厚度约为4.0m的煤体，顶板煤体强度约为11.23MPa，上部各个岩层的平均强度已在图中标注。从测试结果分析，15308 进风顺槽150m 处顶板10m 范围内与锚杆锚索支护直接相关的煤岩体岩性主要为预留顶煤、泥岩、石灰岩和砂质泥岩。根据以上研究结果表明，测点附近巷道围岩内最大水平主应力为9.83MPa，最小水平主应力值为5.49MPa，垂直应力值为9.25MPa，按照相关地应力量级标准0～10MPa 为低应力区[4]，由此可知，15308 进风顺槽围岩的应力在量值上属于低应力值区域。

图 3 围岩强度测试结果

3 围岩稳定性分类及支护设计

15310 工作面进风巷掘进断面尺寸宽5.0m，高3.3m，矩形断面。15310 工作面进风顺槽在15#煤层北回风大巷开口处至60m 处的范围内，沿15#煤层顶板掘进，再以俯角7°掘进20m，改为沿15#煤层底板掘进，直至开切眼处。参考临近的15308进风顺槽地应力和围岩强度测试的结果，并充分考虑掘进面平均留4m 顶煤这一现状，对15310 工作面进风顺槽围岩进行了分类，分类结果为Ⅳ级，为不稳定围岩。根据煤巷锚杆支护技术规范推荐的Ⅳ类巷道锚杆支护基本形式为：锚杆+W 钢带+网，或增加锚索+桁架+网。

15310 进风顺槽掘进断面尺寸为宽5.0m，高3.3m，设计其支护方式：W 钢带+锚杆+锚索+网。顶板支护：锚杆采用Ф22×2400mm 左旋螺纹钢，材料为25#锰钢，顶锚杆钻孔深度2350mm，锚固剂为K2360 树脂药卷一支，间排距为1100mm×1000mm，最外侧的锚杆距离巷帮300mm，每排五根锚杆，沿竖直方向施工，预紧扭矩不小于200N·m，锚杆采用10mm 厚的穹形托盘，顶板锚杆间采用W 型钢带连接，钢带型号为BHW-280-4-4700。顶板锚索规格为Ф21.6×7200mm，锚索钻孔深度为7000mm，锚索间距为1600mm，排距为2000mm，采用“二二”布置，两根锚索均垂直顶板施工，沿巷道中心线对称布置，距离巷帮1700mm，锚固剂为K23120 树脂药卷和Z2360 树脂药卷各一支，锚索托盘采用厚14mm 的穹形托盘，预紧力不小于250kN。帮部支护：锚杆杆体采用规格为Ф18×2400mm 左旋螺纹钢，锚杆间距为900mm，排距为1000mm，每排4 根锚杆均垂直巷帮施工，锚固剂采用K2360 树脂药卷一支，最上部锚杆距离巷道顶板300mm。金属网：12#铁丝编制的网孔为40mm 的菱形网，用14#铅丝连接，每隔100mm 联网两道。15310 回风顺槽掘进期间支护详情如图4 所示。

图 4 15310 进风顺槽支护详情

4 应用效果分析

采用上述支护方案对15310 进风顺槽进行掘进，在巷道掘进初期采用十字布点法对巷道表面的位移情况进行监测。共布置3 个测点，测点间距20m，共进行为期90d 的巷道表面位移监测，整理得到巷道表面位移曲线如图5 所示。由图可知，巷道成巷初期围岩位移量不大，成巷10～30d 内，巷道表面位移增长速度最快，成巷约50d 后，巷道表面的位移量趋于稳定。三个测点中，1#测点顶板下沉量最大，最终稳定在75mm以下，2#测站两帮移近量最大，最终稳定在150mm 以下。总体而言，掘进期间巷道表面位移量很小，围岩稳定性良好，取得了良好的应用效果。

图 5 矿压监测结果

5 结论

通过对临近15308 进风顺槽进行水压致裂地应力测量和围岩强度测试获知，围岩内最大主应力为9.25MPa，帮部煤体强度平均值为12.55MPa，顶板预留顶煤强度平均值为11.23MPa。据此对15310 进风顺槽围岩进行了分类，分类结果为Ⅳ级，为不稳定围岩。根据测试结果，设计了W 钢带+锚杆+锚索+金属网支护方式，矿压监测结果表明，顶板下沉量最终稳定在75mm 以下，两帮移近量最终稳定在150mm 以下，取得了良好的围岩效果。