富水弱胶结顶板巷道支护优化设计研究

陈 康，杨张杰，王福海，王 威，王庆牛

(安徽省煤炭科学研究院，安徽 合肥 230000)

弱胶结结构与普通软岩结构差别较大，此类结构构成松散且含有很多的吸水性岩体。在富水情况下，弱胶结结构巷道顶板岩石的抗压强度会随着岩石软化系数的升高而不断降低[1-3]，岩层的整体性变并，巷道支护难度也随之增大。

目前煤矿巷道支护体系中，锚杆(索)支护是最有效的方式[4-6]。但富水弱胶结巷道顶板锚杆(索)支护过程中，因为其顶板结构比较松散，会造成锚杆(索)与对应钻孔的孔壁锚固性较差，从而大大降低了锚固力，会造成支护失效[7，8]。随着西部煤矿开采范围的不断增大，富水弱胶结顶板结构作为其中的一种特殊的地质软岩，已经有相关学者譬如孟庆彬[9]、王渭明[10]等对此进行了试验研究，但是相关此类结构的巷道支护研究还欠缺很多。对于西部矿井色连二矿主采的3-1煤层，通过现场调研发现，该类煤层顶板直接顶在自然状态下整体完整性较好，但遇水后其力学性质弱化极快，巷道围岩的稳定性弱化，造成巷道围岩应力加剧，巷道围岩塑性区范围扩散显著，巷道变形、片帮严重；顶板也会出现较大的下沉，甚至可能导致巷道发生冒顶事故，给3-1煤层工作面巷道的安全掘进带来很大的隐患。因此，针对色连二矿中富水弱胶结顶板巷道进行了相关的支护优化设计研究。

1 工程地质特征

色连二矿煤系地层属侏罗系煤层，煤层顶板岩石组成主要为砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩，其岩性主要为砂岩类岩石，以岩屑颗粒为主，其中岩屑主要成份为石英，其次为高岭石、长石、伊利石等，颗粒之间以孔隙式泥质胶结为主，属弱胶结软岩，特别是12309工作面巷道顶板上覆岩层富水级别为中等层度，该工作面巷道属富水弱胶结顶板巷道，因此巷道在掘进期间顶板支护优化问题成为重中之重。

2 试验研究

为了掌握工作面富水弱胶结顶板特性，为巷道支护优化提高力学参数依据。在色连二矿12309工作面回采巷道富水弱胶结段顶板进行巷道岩石取芯，采集巷道岩块，并在实验室制作成本试验所需岩石试件(∅45mm×H35mm)。对其试件进行浸水膨胀率试验[11]与单轴抗压试验[12]。

2.1 试验方案

图1 YS-Ⅱ型岩石自由膨胀率试验仪测试

通过岩石试件在浸水48h内通过YS-Ⅱ型岩石自由膨胀率试验仪每隔2h记录相关试件轴向与四个径向的岩石变形数距，YS-Ⅱ型岩石自由膨胀率试验仪测试如图1所示，并通过万能材料试验机对浸水48h(浸水饱和状态)与常态两种情况下岩石试件进行单轴压缩试件对比其强度变化。

2.2 试验结果分析

在对岩石试件浸水48h观测试验后，得出岩石试件的最终径向变形值分别为0.035mm、0.098mm、0.047mm、0.029mm，轴向变形值为0.789mm。并按照根据观测时间绘制成岩石膨胀率实验曲线，如图2所示。

图2 岩石试件浸水膨胀试验曲线

通过岩石试件浸水状态下膨胀试验曲线图对比发现，试件在浸水过程中，试件轴向上膨胀变形量要明显大于径向上膨胀变形量。在浸水情况下24h左右轴向与径向变形趋于稳定，这说明12309工作面富水弱胶结顶板岩石在浸水状况下24h就处于吸水饱和状态。

岩石试件的轴向自由膨胀率VH与径向自由膨胀率VD计算方法：

式中，ΔH为轴向变形值，mm；H为试件高度，mm；ΔD为径向平均变形值，mm；D为试件直径，mm。

通过把最终观测数据与试件尺寸代入式(1)与(2)的计算，岩石试件的轴向与径向浸水自由膨胀率分别为2.25%、0.12%，说明12309工作面富水弱胶结段顶板在垂向上较易发生浸水膨胀变形离层。

通过对浸水饱和与常态这两种状态下岩石试件进行单轴压缩试验，得出两种状态下的应力应变曲线，如图3、图4所示，岩石试件抗压强度分别为9.9MPa(浸水岩石试件)与12.2MPa(常态下岩石试件)，试验结果表明，12309工作面顶板岩石在浸水饱和状态下较常态下抗压强度降低了18.9%。

图3 浸水饱和岩石试件应力-应变曲线

图4 常态下岩石试件应力-应变曲线

3 巷道支护优化设计研究

通过参考色连二矿富水弱胶结顶板巷道的岩石试件浸水情况下的力学性质试验结果，对12309工作面富水弱胶结顶板巷道支护进行了优化设计。

3.1 优化巷道断面形状，改善顶板受力状态

在巷道断面设计时一般采用矩形巷道。但考虑到矩形断面巷道顶板两侧肩窝为巷道支护时围岩变形较大的薄弱部位[13]，巷道破坏往往也是从这个位置开始。所以设计优化为直墙平顶肩角微拱形巷道(拱形半径为15cm)，并根据12309工作面富水弱胶结顶板岩性参数和构造，通过UDEC4.0数值模拟软件对这两种断面巷道进行模拟优化论证。

为便于对比分析，在模拟巷道围岩周边分别设置了观测测线，每根测线上有15个监测测点，间距0.6m，用以检测记录巷道开挖模拟过程中两种巷道断面工况的巷道围岩应力分布及垂直应力分布如图5、图6所示。

图5 两种断面巷道工况最大主应力分布

图6 两种断面巷道工况垂直应力分布

模拟结果表明，在巷道掘进开挖后，围岩应力会重新进行分布。在沿着巷道的径向可划分为三个范围，分别是应力降低区、应力集中区和原岩应力区[14-16]。其中应力降低区处于巷道围岩浅部范围，模拟矩形断面巷道的2处肩窝尖角位置围岩浅部范围内的应力值均大于17MPa，远大于原岩应力11MPa，此两处应力较为集中。而模拟的平顶微拱形工况的巷道围岩应力测点监测两肩窝处应力小于9MPa。这说明将12309工作面巷道断面改为平顶肩角微拱形，对改善顶板受力状态和提高其围岩稳定性都有利。

3.2 顶板支护锚固力增强优化技术

考虑到富水弱胶结顶板的结构特性及水对锚固剂黏合锚索与钻孔的弱化影响，这会造成锚索锚固性能大打折扣，针对这一问题本文提出了顶板支护锚固力增强优化技术，并为此改进研制了针对性的可以增强锚固力的的锚索。

针对富水弱胶结顶板巷道特点，改进研制了可增强锚固力的锚索结构，如图7所示。在常规锚索基础上，在锚索内锚前端位置安装锚固剂搅拌器，在距搅拌器1500mm位置安装能够防止锚固剂外漏的橡胶挡环。

图7 可增强锚固力的锚索结构

在12309工作面巷道中，选取3个位置，在同一位置巷道顶板上选用一个常规锚索与一根与常规锚索同规格的优化挡环锚索进行拉拔力测试试验，试验结果见表1。

表1 拉拔力测试结果

试验结果表明，优化挡环锚索较常规锚索在拉拔力上有很大的提高，强度提高了20.9%，说明采用“顶板支护锚固力增强优化技术”后，锚索的内锚效果大幅提高，对富水弱胶结顶板巷道锚索支护优化提供了进一步的助力。

3.3 巷道的梯度锚固优化技术

在考虑岩石试件浸水试验结果后，为了提高12309工作面富水弱胶结顶板巷道锚索网支护强度。在锚索预应力扩散规律[17，18]以及形成整体强承载结构[19]原则的基础上，设计了一种顶板梯级锚固优化技术方案，如图8所示。顶板采用∅20mm×L2500mm左旋无纵筋高强度锚杆，顶锚杆间排距880mm×800mm。顶板锚索采用“4-0”布置方式，锚索规格为∅17.8mm×L7300mm，锚索间排距1300mm×1600mm。在顶板上布置3排走向锚索，锚索规格为∅21.6mm×L8300mm，槽钢(L3000mm)上布置的锚索间距1300mm，相邻槽钢端头锚索间距600mm。

图8 富水弱胶结顶板梯度锚固优化技术方案(mm)

通过顶板不同长度的加固锚索与槽钢组合结构，能够避免锚索内锚位置处于同一岩层层位以避免应力集中现象，能够进一步的保证支护锚索的锚固性能。同时与锚杆支护一起形成了联合支护结构[20]。实现对富水弱胶结顶板的有效控制。

4 工程实践

在12309工作面巷道掘进期间，在巷道内每隔30m设置一组离层仪及锚杆应力计，共60组观测点。通过巷道断面与顶板锚杆(索)优化后，在色连二矿富水弱胶结顶板巷道支护优化设计后，通过对整体巷道的离层与锚杆载荷变化进行观测统计，绘制出巷道顶板离层与锚杆(索)载荷变化分布如图9、图10所示。

图9 顶板离层值变化分布

图10 顶板锚杆(索)载荷变化分布

由巷道顶板离层值变化与锚杆(索)载荷变化直方图可以清晰的发现，在经过巷道支护优化后，顶板浅深部离层绝大多数都在0～10mm内分布，浅部离层最大值51～70mm范围内，深部离层最大值在31～50mm范围内。巷道围岩锚杆(索)增幅载荷大部在11～30kN分布，顶板锚杆(索)增幅载荷最大为101～130kN范围内少数量级分布，均在锚杆及锚索的承载能力范围内，巷道掘巷期间矿压显现不明显。这说明本文中对富水弱胶结巷道的支护优化能满足安全巷道安全开采支护需求，同时为西部矿区富水弱胶结顶板巷道顶板支护进行了优化支护实践论证。

5 结 论

1)通过对富水弱胶结顶板巷道顶板取芯岩石试件进行浸水膨胀率试验与单轴抗压试验，得出其岩石试件在浸水24h后即达到饱和状态，在垂向上易发生浸水膨胀变形离层，在浸水饱和状态下较常态下抗压强度降低了18.9%。

2)通过数值模拟对比研究，对于富水弱胶结顶板巷道，将巷道断面优化为平顶肩角微拱形，对改善顶板受力状态和提高其围岩稳定性都有利。

3)通过顶板支护锚固力增强优化技术和巷道的梯度锚固优化技术，可以很大的提高富水弱胶结顶板锚索支护的锚固力。

4)通过对巷道总体矿压观测数据统计对比，验证了所采用的巷道顶板支护优化措施能满足巷道掘进安全支护需求，同时为西部矿区富水弱胶结顶板巷道顶板支护进行了优化支护实践论证。