曹黎宏

（山西乡宁焦煤集团台头煤焦有限责任公司，山西 临汾 042100）

0 前 言

弱胶结膨胀软岩具有胶结程度差、强度低、膨胀系数大等特点。巷道掘进过程中，遇到此类地质情况会增大巷道支护难度。由于该类岩层易破碎，一般距离老顶位置较远，运用传统锚杆锚固支护技术进行支护后会大面积变形。为解决该问题，现以台头焦煤7202 运输顺槽为研究对象，运用数值模拟的研究方法对现场已支护区域围岩变形演化规律进行模拟，结合顶板离层仪观测数据分析巷道严重形变周期。制定弱胶结软岩支护措施，并进行后期效果考察。

1 7202 运输顺槽概况

山西乡宁焦煤集团台头煤焦有限公司产能120万t/a，现主采煤层2 号煤层，平均煤层厚度3.1 m，直接顶板为泥岩，底板为泥岩。所在层位为典型的弱胶结膨胀地层。7202 工作面设计长度1 200 m，切眼长度180 m，7202 运输巷设计高度5 m，宽度4 m。巷道采用传统锚杆支护，支护示意图如图1 所示。顶部施工锚杆5 根，呈扇形对称分布。巷道左右两帮分别施工4 根锚杆。所使用锚杆均为左旋螺纹钢锚杆，规格φ20 mm×2 400 mm。

图1 巷道支护措施

2 7202 运输巷围岩变形规律研究

为研究目前支护措施能否满足运巷支护要求，现运用耦合模拟软件模拟巷道围岩应力变化规律。假设煤岩为均匀介质，模拟在弹性范围内，顶板压力0.9 MPa，岩层顶板、底板为泥岩，岩层基本参数见表1，分别模拟 10、30、60、90、100 d 巷道围岩变形情况，模拟结果如图2 所示。

表1 岩层基本参数表

由图2 可知，巷道断面在第10 d 的时候，底板出现应力集中的现象，第30 d 的时候顶板和底板同时出现大面积应力集中的现象，第60 d 顶底板应力集中情况更为突出，第90 d 时，顶、底板应力集中区域开始扩大，第100 d 到开始应力集中范围扩张。根据以上模拟结果分析，在未进行支护的状态下，第90 d 的时候顶板开始大面积垮塌，底板大面积底鼓，整个巷道基本垮塌。

图2 巷道围岩应力变化情况

为确定数值模拟结果是否可靠，本文对现场已支护区域安装的顶板离层仪数据进行了统计分析，统计结果如图3 所示。

图3 顶板离层仪数据分析

由图3 可知，在0~90 d 时间段内，巷道顶板深部数据和浅部数据均处于不断增大的趋势，深部位移在第20 d 基本达到需要加强支护的限制，浅部在第10 d 的数据达到需要进一步支护的限制。在第90 d，位移基本持平，整体再未出现增大趋势，观测数据和模拟结果对比基本一致。通过向回撤那观察，巷道顶板出现大面积下沉，底鼓现象严重。因此，目前的锚固技术存在安全隐患。综合分析可知，数值模拟应力分布云图具有一定的指导意义和现实意义。

3 支护措施存在的问题

由于锚杆支护只有顶板能够施工到硬岩上，底板未进行加强支护，同时，顶板的锚杆支护分布过于松散，锚杆固定着力点有限，在容易产生岩层破碎的弱胶结软岩地层的情况下会出现大面积底板底鼓，顶板垮落的现象，支撑点为应力点，没有连续性和整体性，无法整体支撑起整个巷道破碎岩层的水平位移和竖向应变。因此，支护措施需要进一步完善。

4 优化后的支护措施及效果考察

由于弱胶结周围围岩松散，极易垮落，按照数值模拟分析，在第90 d 左右会出现大面积底鼓和顶板垮塌现象，因此必须进行整体性刚度支护。设计支护措施如图4 所示。巷道顶板采用管棚支护，平向使用工字钢，工字钢排间距0.4 m，底板进行锚喷和混凝土铺设处理，防治底鼓现象的发生。巷帮也采用了工字钢的支护模式，同时在左右帮施工了锚杆，进行了喷浆作业，防治破碎岩石垮落。

图4 优化后的支护措施

实施完成后对安装的顶板以数据进行为期100 d 的效果考察，现场对顶板离层仪数据进行了汇总。

由图5 可知，采用管棚结合工字钢进行支护后，巷道深部应变最大值25 mm，浅部应变最大值7 mm，基本在最大值之后再无大的应变增长。现场观测，巷道整体完整性较好，未出现大幅度变形情况。

图5 优化后巷道顶板离层仪观测数据

5 结 论

本文以台头焦煤7202 运输顺槽掘进通过弱胶结软支护问题为研究对象，运用数值模拟、现场观测的方法进行了研究，得出以下结论：

1）巷道断面围岩顶、底板均出现大面积应力集中的情况，结合现场顶板离层仪观测数据，模拟结果真实可靠。

2）分析传统锚固技术存在的位置主要因为锚杆为应力点，不具有整体支撑刚度。

3）为解决存在的问题，采用工字钢结合管棚支护技术，对巷道进行了支护，底板进行了混凝土铺设的措施，考察结果显示，优化的支护措施安全可靠。