煤礦深部開采巷道支護設計研究

武少國

摘 要：煤礦深部開采面臨高地壓和強烈的開采擾動影響。深部礦井重力引起的垂直應力明顯增大，構造應力場復雜，地應力高。在高應力作用下，開采擾動影響強烈，圍巖破壞嚴重。對巷道支護而言，巷道壓力大，圍巖變形顯著、破壞嚴重。現對葫蘆素礦2-1煤東翼輔助運輸大巷進行支護初始設計。2-1煤東翼輔助運輸大巷支護設計內容包括地質力學測試與評估，支護形式和參數設計，支護材料選擇等內容。

關鍵詞：地質力學測試與評估；支護形式和參數設計；支護材料

1 概述

葫蘆素礦煤層埋藏深度較深，礦井一盤區2-1煤層底板標高在662.9～692.9m之間，埋深在630～660m左右。深部開采面臨高地壓和強烈的開采擾動影響。深部礦井重力引起的垂直應力明顯增大，構造應力場復雜，地應力高。在高應力作用下，開采擾動影響強烈，圍巖破壞嚴重。對巷道支護而言，巷道壓力大，圍巖變形顯著、破壞嚴重。

現對葫蘆素礦2-1煤東翼輔助運輸大巷進行支護初始設計。2-1煤東翼輔助運輸大巷支護設計內容包括地質力學測試與評估，支護形式和參數設計，支護材料選擇，井下施工工藝和安全措施，礦壓監測設計等內容。該支護方案實施于井下后，應對巷道進行礦壓監測，以驗證或修改初始支護設計，確保巷道安全。

2 巷道地質條件

2.1 巷道概況

2-1煤東翼輔助運輸大巷位于2-1煤東翼輔助運輸斜巷結束處，以90°方位角向東布置。2-1煤東翼輔助運輸大巷為半圓拱形直墻巷道，巷道硬化鋪底厚度為250mm。

2.2 煤層及頂底板情況

根據2-1煤東翼回風大巷實際揭露情況，2-1煤東翼輔助運輸大巷為半煤巖巷，煤層平均厚度為3.0m，該煤層結構簡單，黑色，條帶狀結構，以暗煤為主，含絲炭，參差狀斷口，暗淡型；煤層頂板以砂質泥巖為主，深灰色，平行層理，平坦狀斷口，含豐富植物化石，半堅硬；底板為中粒砂巖，巖性為灰白色，以石英為主，長石次之，泥質膠結。

2.3 巖層物理力學參數

葫蘆素井田主要可采煤層的頂底板巖石主要為砂質泥巖、粉砂巖，次為中細粒砂巖。根據本次勘探施工的H11、H13、H28、H29、HK22、HK46號鉆孔巖石物理、力學性試驗成果：巖石吸水狀態下抗壓強度5.6～49.1MPa，平均25.0MPa；自然狀態13.8～72.3MPa，平均42.6MPa；普氏系數1.40～7.37，平均4.35；抗拉強度0.26～3.69MPa；軟化系數0.17～0.96。內摩擦角17°40′～38°40′；凝聚力4.3～20.0MPa。巖石的抗剪強度2.70～41.86MPa。

試驗結果顯示，巖石的抗壓強度不高，多在40～80MPa之間，抗剪與抗拉強度則更低，砂質泥巖類吸水狀態抗壓強度明顯降低，多數巖石遇水后軟化變形，個別砂質泥巖遇水崩解破壞，巖石的軟化系數多數小于0.75，多數為軟化巖石。個別鈣質填隙的砂巖抗壓強度稍高些。因此，井田內煤層頂底板巖石以軟弱～半堅硬巖石為主。

2.4 地質構造狀況

根據2-1煤東翼回風大巷實際揭露情況，及相關地質探測報告顯示，2-1煤無較大起伏。通過區內施工和周邊施工的110個鉆孔揭露資料，本區構造形態為一向西北傾斜的單斜構造，地層傾角小于2°。區內斷層不發育，亦無巖漿巖傾入，井田地質構造簡單。

3 2-1煤東翼輔助運輸大巷支護參數及形式

3.1 設計原則

（1）支護設計確保支護安全，避免巷道服務期間進行大面積維修。（2）支護參數和支護材料規格具有較好的適應性和施工可行性，由于井下巷道圍巖條件變化很大，從支護合理性考慮，可能出現多種支護參數和支護材料規格，但這將不利于巷道施工和管理。因此，盡可能采用統一的支護參數和材料規格。（3）支護設計要在保證支護質量的同時，有利于提高巷道掘進速度。（4）在滿足前三項原則的前提下，做到經濟合理。

3.2 支護參數及形式

葫蘆素礦2-1煤層頂板分別為厚度6.67米的粉砂巖，厚度4.16米的砂質泥巖和厚度13.35米的粉砂巖，巖層致密，完整性好取芯率均在94%左右。因此，建議2-1東翼輔助運輸大巷正常段采用矩形巷道。按照設計單位提供的斷面，巷道掘進斷面寬度5.8米，高度4.25米，采用“錨網噴”聯合支護。

本支護設計針對2-1煤東翼輔助運輸大巷正常地質條件下的支護設計。對于掘進過程中遇到的特殊巷道段需根據現場條件，對巷道斷面形狀和支護參數進行調整。

初步確定葫蘆素礦2-1煤東翼輔助運輸大巷初始設計參數如下：

考慮到此大巷服務年限比較長，以及對整個礦井生產系統的重要性，要求大巷在采用“錨網噴”初始支護后，對巷道表面進行噴射混凝土。巷道表面進行噴射混凝土一方面隊巷道圍巖表面起到了一定輔助支護作用，另一方面保證巷道在使用過程中避免外界環境的侵擾，防止巷道圍巖風化，保證巷道使用過程中的安全。混凝土噴層的強度、厚度以及施工工藝參照相關的行業標準和技術規范。

3.3 支護材料

葫蘆素礦2-1煤東翼輔助運輸大巷初始支護設計，所需支護材料如表所示。

表 葫蘆素礦2-1煤東翼輔助運輸大巷錨桿支護材料清單（排距1.0m）