摘要
红柳煤矿地质条件复杂，巷道顶板岩性弱，强度低，为泥质胶结复合型顶板。老顶孔隙含水，距离煤层近，I020207工作面回采巷道在掘进过程中顶板局部涌水，泥岩遇水软化崩解，造成“锚杆-锚索-锚网”联合支护体系失效，巷道变形量大，支护困难。同时，为适应大采高综采工作面设备安装及辅助运输的需要，工作面回采巷道断面尺寸较大，巷道宽5m，高4.4m，掘进断面面积达22m2。因此，红柳煤矿工作面回采巷道属于典型的大断面软岩巷道，巷道围岩变形与控制方面的矛盾越来越突出，严重制约矿井的安全高效生产。回采巷道围岩变形控制及支护技术已成为亟待解决的首要问题。 本文针对红柳煤矿大断面软岩巷道围岩变形量大，支护体系失效这一具体工程问题展开研究，总结了大断面软岩巷道的变形特征，分析了支护体系失效的主要原因，结合围岩加固理论提出了新的支护方案，通过现场监测验证了新支护方案具有良好的围岩控制效果，有效解决了红柳煤矿大断面软岩巷道难支护问题。具体工作如下： （1）分析了红柳煤矿I020207工作面回风巷道工程地质条件、巷道掘进技术参数、巷道围岩变形特征及变形影响因素，测定了顶板岩石成分及物理力学参数。I020207工作面回风巷道直接顶和伪顶总厚6.8m，为泥质复合顶板，采用2.5m锚杆+6.3m锚索+锚网联合支护。通过现场观测发现I020207工作面回采巷道的典型特征是顶板淋水区域围岩变形量大，而顶板未发生淋水现象区域围岩变形量小。综合地质条件、掘进参数、顶板岩性及巷道变形特征分析提出合理猜想。在巷道掘进期间，巷道直接顶较薄且厚度不均，局部锚索导通老顶造成老顶孔隙水向下渗流，泥质复合直接顶遇水软化膨胀，原支护体系失效是围岩变形量大的主要原因。原支护体系在顶板无水条件下支护体系强度满足要求，围岩控制效果显著，顶板扰动裂隙未发育至老顶。 （2）顶板涌水是造成巷道局部支护困难的主要因素，通过围岩稳定性分析获得了巷道围岩变形特征，明确了顶板涌水的真实原因。首先，基于Mohr-Coulomb强度准则推导了巷道围岩塑性区半径计算公式，考虑软岩岩体的残余内聚力、摩擦角，对基于Mohr-Coulomb强度准则推导的围岩塑性区半径计算公式进行了改进。计算出不考虑支护情况下，巷道围岩塑性区以巷道壁为起点向围岩深部延深约2.8m。其次通过数值模拟手段，分析了在无水条件下，巷道原支护体系对巷道围岩的控制效果，确定塑性区尺寸，研究巷道稳定性。理论分析和数值模拟均表明，在无水条件下原支护体系围岩变形控制效果良好，综合分析验证了巷道顶板局部涌水原因的合理猜想。 （3）依据锚杆（索）加固及组合拱理论，推导了拱型巷道组合拱厚度与锚杆（索）长度之间的关系，计算得到锚（杆）索有效长度需不小于4.1m。通过理论分析，以保证足够支护强度，且锚杆锚索不穿透直接顶导通老顶孔隙水为原则，确定巷道拱部锚索加固长度为4.3m，锚杆长度保持不变。进一步提出了“锚杆-锚索-金属网-喷浆”和“全锚索-金属网-喷浆”两种顶板改进支护方案。通过数值模拟分析得出，“锚杆-锚索-金属网-喷浆”支护体系围岩塑性区发育范围明显增大，顶板裂隙发育，可能在巷道局部直接顶较薄时发育至老顶，存在一定安全隐患。采用4.3m全锚索加固可以有效限制巷道顶板塑性区的发展，围岩变形量小，顶板裂隙与锚索均未导通老顶孔隙水，支护效果良好。 （4）在与I020207工作面相邻，地质条件相似的I020208工作面回风巷掘进期间开展了现场监测，顶板采用4.3m全锚索支护，掘进期间没有发生涌水现象。现场监测结果表明，优化支护后，顶底板最大移近量为50.3mm，两帮最大移近量为72.3mm。拱顶锚索加固区域内，最大离层量为18.9mm。距离巷道表面8.0m处的测点，最大离层值为28.1mm。没有出现强烈的底鼓、片帮、冒顶现象，改进方案保证了工作面的安全回采。取得了较好的支护效果。 本文依据现场实际问题，系统、全面研究了红柳煤矿大断面软岩回采巷道围岩支护技术，分析了巷道围岩变形规律及原因，提出了合理的改进支护方案并获得了较好的实际应用。本工作对相似地质条件下围岩变形规律和支护设计的研究提供理论依据和指导作用，对宁东矿区类似地质条件矿井回采巷道的围岩变形控制提供有益借鉴和参考。
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