王志玉

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 寺河煤矿二号井，山西 晋城 048019)

在地下开采中，坚硬顶板是指赋存在煤层上方或厚度较薄的直接顶上方厚而坚硬的砾岩、石灰岩等岩层[1]。此类顶板具有以下特点：岩石强度和弹性模量高、节理裂隙不发育、厚度大、整体性强、自承能力高[2]。山西晋煤集团寺河矿二号井15号煤直接顶为K2石灰岩，平均厚度9.8m，节理裂隙较发育，单轴抗压强度为109.65MPa，属于典型的强度高、整体性强的坚硬顶板。15号煤层平均厚度2.3m，单轴抗压强度为10～13MPa，煤层中一般含1～2层不稳定夹矸。直接底板为铝质泥岩，矿物成分主要为黏土矿物，遇水易膨胀，抗压强度16.4MPa。

由于顶板坚硬，煤层、直接底板相对较软，随着采深加大和地质条件日益复杂，巷道围岩出现较大变形，安全系数降低。针对“一硬两软”的围岩条件，进行相关力学参数原位测试，结合理论分析及数值模拟结果，优化巷道支护参数[3-6]。选择典型巷道进行井下试验，对巷道掘进整个过程进行围岩表面位移、锚杆工作阻力监测，为正确选取支护方式和合理优化支护参数提供更加真实、全面的反馈信息，为以后同类条件下巷道支护提供借鉴[7-8]。

1 现场测试

以寺河矿二号井15号煤三盘区为工程背景，煤层埋深在329～419m之间，上部9号煤采空区，垂距28～30m。盘区布置3条大巷，分别为153101轨道巷、153102回风巷、153103胶带巷，153101-153102巷之间净煤柱为30m，153101-153103巷之间净煤柱为50m。

1.1 地应力测试

在已掘巷道中布置5个测点，进行地应力测试，测点具体位置如图1所示。

图1 测点位置示意

采用水压致裂法进行地应力测试[9-10]，测试结果如表1所示。测试区域σH最大值为12.45MPa，最小值为7.60MPa；σh最大值为6.56MPa，最小值为4.25MPa。绝大多数主应力量值小于10MPa，属于低值应力区。整体来看，σH由东南至西北方向呈减小趋势，σH方向对与巷道轴线之间的夹角为N61.8°E，以NEE方向为主导方向。

1.2 底板岩石成分测试

在巷道底板钻取岩样，利用X射线衍射分析方法，依据《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》SYT 5163-2010，对岩层矿物成分进行测试和分析。将岩样的X射线衍射图谱与矿物的标准X射线衍射数据对比，进行定性分析，确定岩样中矿物种类和含量(%)以及黏土矿物总量(%)，见表2。

表1 三盘区地应力测试结果

表2 矿物X射线衍射分析结果

黏土矿物主要是含水的铝、铁和镁的层状结构硅酸盐矿物，对水分的侵入极为敏感，当与水体相接触时，黏土矿物往往会发生膨胀，从而使岩层产生裂隙，甚至崩解，降低岩层的承载力。黏土矿物X射线衍射分析结果如表3所示。

表3 黏土矿物X射线衍射分析结果

注：S:蒙皂石类；I/S：伊蒙混层；I：伊利石；K：高岭石；C：绿泥石；C/S：绿蒙混层

岩样X射线衍射试验表明，煤层直接底为铝质泥岩，黏土矿物占比达到36.5%，其他成分为石英、钾长石、方解石、白云石，占比为63.5%。黏土矿物主要为伊蒙混层、伊利石、高岭石及绿泥石，其中伊蒙混层占黏土矿物的46.3%，伊利石占25%，高岭石占28.7%，绿泥石占5.7%。

2 数值分析

根据地应力测试数据，σH=9.29MPa，σh=5.14MPa，σv=7.65MPa。σH与盘区大巷夹角α=70°，布置方向关系如图2所示。

图2 一五三盘区巷道与地应力方向关系

采用坐标转换的方法，将原岩应力3个主应力转换成巷道轴向为基准所建立新的坐标系下的围岩应力分量，如图3所示。

图3 应力坐标转换示意

新坐标系下三阶应力张量为：

将最大水平主应力σH、以及σh、α带入上式，可得：Pxx=8.8MPa，Pyy=4.9MPa，Pzz=7.65MPa。基于地质力学参数测试获得的地应力、围岩强度参数，按照三盘区大巷实际生产地质条件，采用FLAC3D建立数值模型，坐标系采用直角坐标系，XOY平面取为水平面，Z轴取铅直方向，取巷道左下角点为坐标原点，水平向右为X轴正方向，沿巷道方向垂直向内为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向。三维模型四周采用铰支，底部采用固支，上部为自由边界。

岩石力学参数见表4。

根据现场情况，采用以下模拟方案：

(1)顶板支护采用400号高强度螺纹钢锚杆，

表4 岩层力学参数

规格为φ20mm×2000mm，1支MSK2335和1支MSZ2360的锚固剂加长锚固。锚杆间距1400mm，排距分别取1.3m，1.4m，1.5m。锚索直径15.24mm，长度5.3m。根据锚杆排距变化3.9m，4.2m，4.5m，对比每排2根和每排1根的变化。

(2)巷帮支护锚杆参数与顶板相同，锚杆间距1m，排距分别取1.3m，1.4m，1.5m。排距1.4m时模拟结果如图4所示。

图4 排距1.4m条件下巷道围岩应力与位移分布

从不同方案应力分布情况分析，垂直应力在两帮出现应力集中，最大值为9.5MPa，水平应力在顶板石灰岩层出现应力集中，最大值为18MPa，底板软弱铝质泥岩未出现高应力，说明软弱岩层发生塑性破坏，失去承载能力。

从不同方案位移分布情况分析，锚杆排距为1.3m时，两帮移近量为0.12m，顶板最大下沉量仅为8mm，底鼓量最大为18mm，巷道变形以底鼓为主；当排距为1.4m时，两帮移近量为140mm，顶板最大下沉量为10mm，底鼓量最大达24mm，略有增加；排距增加至1.5m时，两帮变形量达到240mm，顶板下沉量达15mm，底鼓量达到50mm，分别为1.4m排距的1.7，1.57，2倍。

图5为不同方案巷道围岩塑性区分布。从图5可以看出，锚杆排距为1.4m时，塑性分布范围相对较小，塑性区主要集中于两帮煤层和底板铝质泥岩，顶板坚硬石灰岩未出现明显塑性变形。锚杆排距为1.5m时，塑性区范围明显扩展，约为1.4m排距的1.6～1.9倍。

图5 不同方案巷道围岩塑性区分布

4 支护参数设计

根据数值计算结果结合工程经验，以153102巷为示范巷道进行支护参数设计，巷道设计断面为矩形，宽度5m，高度2.8m，掘进断面积14m2。

顶板支护：采用杆体直径为20mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，钢号为MSGLW400，长度2m。每排布置4根，排距1.4m，间距1.4m，采用2支树脂锚固剂加长锚固，锚固力不低于100kN，锚杆预紧扭矩为300N·m。锚索直径为15.24mm，长度5.3m，排距4.2m，钢绞线抗拉强度为1860MPa，延伸率3.5%。垂直顶板岩层打设，预紧力不低于150kN。

巷帮支护：锚杆规格与顶板相同，每帮每排布置3根，排距1.4m，间距1.1m，加长锚固，锚杆预紧扭矩为300N·m。采用经纬网护帮，规格为1.2m×4.6m，网孔规格50mm×50mm，用双股16号绑丝孔孔相连。

现场巷道施工后，采用“十字布点”法对巷道围岩变形进行监测，结果如图6所示。

图6 巷道围岩变形监测曲线

根据监测结果，巷道两帮移近量最大为273mm，为初始巷道宽度的5.46%；顶底板移近量最大为291mm，为初始巷道高度的10.4%，其中顶板下沉量为59mm，占总变形量的20.3%，底鼓量为232mm，占总变形量的79.7%。巷道围岩变形量较小，说明优化后的锚杆支护参数能够满足巷道的安全使用要求。

采用锚杆测力计监测锚杆受力，结果如图7所示。整体上来看，锚杆受力变化波动较小，且多数呈递增趋势，说明锚杆发挥了应有的支护效果，起到了控制围岩变形的作用。

图7 巷道锚杆受力监测曲线

5 主要结论

(1) 采用水压致裂法进行地应力原位测试，得到σH为9.29MPa，σh为5.14MPa，σv为7.65MPa，属于低值应力范围。σH由东南至西北方向呈减小趋势。

(2)根据底板岩石矿物成分分析，巷道直接底板为铝质泥岩，黏土矿物占比达到36.5%，以伊蒙混层、伊利石为主，遇水易膨胀。从巷道掘进过程的变形监测可以看出，围岩变形以底鼓形式为主，因此，对此类有膨胀性围岩巷道应采取有效的控水措施。

(3)基于现场测试结果，利用FLAC软件建立数值模型并进行多方案比较，模拟结果表明锚杆合理排距为1.4m，巷道变形量和塑性区分布范围相对较小。

(4)选择典型巷道进行支护参数优化设计，并进行井下试验，通过围岩表面位移、锚杆工作阻力监测，为支护方式正确选取和支护参数合理优化提供更加真实、全面的反馈信息，为以后同类条件巷道支护提供借鉴。

[参考文献]

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[2]冯彦军.煤矿坚硬难垮顶板水力压裂裂缝扩展机理研究及应用[D].北京:煤炭科学研究总院,2012.

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