黃陵二號煤礦巷道支護現狀及控制措施

華 軍

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

陜西黃陵二號煤礦采用盤區布置方式。當前，隨著礦井四盤區兩翼開采工作面的不斷推進，工作面長度的不斷增加，盤區內開拓和回采巷道均受到不同程度的采動影響和地質構造等因素的影響，巷道圍巖出現顯著的失穩破壞特征。巷道地應力狀態和圍巖條件決定的礦井巷道支護強度要求，與現有井巷支護形式及其支護強度之間的矛盾日益突出[1-3]。尤其在當前高產高效礦井的建設進程中，對礦井開拓巷道服務年限以及回采巷道留設時間的要求進一步增加，必須對黃陵二號煤礦井巷的支護形式和支護強度進行優化。

因此，針對陜西黃陵二號煤礦不同類型巷道的支護形式和參數，分析現有巷道支護形式和強度條件下的圍巖失穩破壞原因，計算不同類型巷道所需的支護強度，提出改進和優化措施，以期消除動壓和構造對巷道破壞的影響，保證巷道的正常服務年限。

1 不同類型巷道原有支護形式及參數

1.1 開拓巷道

目前礦井開拓巷道均采用“鋼筋網片+錨桿+錨索+噴漿”的支護形式，錨桿采用φ20 mm×2 100 mm螺紋鋼錨桿，菱形布置，間排距800 mm×800 mm；錨索采用單托盤形式，規格為φ17.8 mm×8 300 mm鋼絞線，托盤采用16b槽鋼加工，托盤長度400 mm；鋼筋網片采用φ6.5 mm圓鋼加工；噴射混凝土強度為C20，厚度100 mm。典型的開拓巷道支護形式及參數如圖1所示。在此支護形式中，各支護單元在形成的復合支護體系中存在的作用如下。

圖1 輔運大巷斷面支護圖

錨桿：依據錨桿的組合拱理論，錨桿一方面在由錨頭和緊固端為頂點的錐形體壓縮區產生應壓力，增加節理裂隙面或巖塊間的摩擦阻力，防止巖塊轉動和滑動，亦增大了巖體的粘結力，提高了破碎巖體的殘余強度；另一方面，錨桿產生的應壓力，改善了圍巖力狀態，使壓縮帶內的巖石處于三向受力狀態，從而使巖體強度得到提高[4-5]。

鋼筋網片：一方面可以用來控制錨桿間的圍巖，防止由于錨桿間產生的拉應力對巷道圍巖局部的破壞和掉塊；同時鋼筋網片也可作為噴射混凝土的配筋，提高噴層的整體性，改善噴層的抗拉性能。

噴射混凝土：①加固與防止風化作用；②改善圍巖應力狀態作用，一方面將圍巖表面凹凸不平處填平，消除圍巖面不平引起的應力集中體現；另一方面，將圍巖由雙向受力狀態轉化為三向受力狀態，提高了圍巖的強度；③柔性支護結構作用，體現讓壓支護特性，使圍巖應力得到一定程度的釋放，同時在圍巖應力釋放的過程中產生愈來愈大的支護反力，抑制圍巖產生過大的變形，防止圍巖發生松動破碎。

錨索：根據錨索的懸吊理論，通過其錨固深度大的特點，可將下部不穩定巖層或用錨桿支護形成的組合拱區域進一步與巷道更加穩定的巖層相結合，增加巷道支護的可靠性。

1.2 回采巷道

回采巷道采用“鐵絲網片+錨桿+錨索”的支護形式。以輔運巷為例，頂板錨桿采用φ20 mm×2 800 mm螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；煤柱側幫錨桿采用φ20 mm×2 500 mm螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm；采面側幫錨桿采用φ20 mm×2 600 mm樹脂錨桿；頂部和煤柱側幫錨桿后均壓設φ16圓鋼加工的鋼帶；頂板采用錨索梁加強支護，錨索梁規格為“一梁五索”；錨索規格為φ21.8 mm×12 300 mm鋼絞線，錨索梁采用16b槽鋼加工，長度為4 400 mm；錨索的間排距為1 000 mm×1 600 mm；頂部網盤采用10#鐵絲網，幫部采用高強度復合網。斷面支護形式及參數如圖2所示。在此支護形式中，各支護單元在形成的復合支護體系中的作用如下。

圖2 輔運巷斷面支護圖

錨桿：鑒于巷道頂板壓力明顯大于幫部壓力，故錨桿支護單元需重點分析頂錨桿的作用，由于回采巷道斷面均為矩形，且巷道頂板圍巖多為層狀結構，故在此錨桿作用不同于開拓巷道的組合拱理論，而是傾向于組合梁理論所闡述的作用，即一方面錨桿的錨固力增加了各巖層間的接觸壓力，避免各巖層間出現離層現象；另一方面增加了巖層間的抗剪剛度，阻止巖層間的水平錯動，從而將作用范圍內的幾個巖層錨固成一個較厚的組合梁，以增加抗彎曲應變和承載應力能力。

鋼帶：起強化錨桿支護整體性的作用，它將單根錨桿連接起來，組成一個整體承載結構，從而提高錨桿支護的整體效果。

網片：不管是頂部的鐵絲網片還是幫部的復合網，在此支護形式中的作用均為維護錨桿間的圍巖，防止小塊松散圍巖掉落，同時，也起到聯系各錨桿組成支護整體的作用。

錨索梁：本支護形式的錨索梁支護機理與開拓巷道支護中的錨索支護機理相同，但本支護形式中將單錨索改為錨索梁，這樣可將錨索支護的整體性加強，將單錨索的點支護發展為線支護，同時也增加了本支護形式的可靠性。

2 巷道失穩破壞類型與原因

2.1 破壞類型

通過對遭受破壞井巷的表象觀察，以及借助先進的窺視儀器對巷道深部的內窺成像，將巷道破壞類型歸類如下。

頂板失穩：頂板失穩主要通過表現較為激烈的頂板冒落，以及無外向表現但內部破壞已十分嚴重的離層兩種情況，這兩種情況前者破壞大，而后者雖未造成破壞，但正是頂板受損的開始。①冒頂作為一種較為劇烈的頂板破壞形式，雖然發生頻率低，但存在破壞性較大，維護難度大，維護成本高，安全隱患大等特點，隨著礦井四盤區兩翼推采進度的加大，以及工作面走向長度的加長，礦井開拓和回采巷道出現冒頂的頻次也出現了增加，礦井的北二大巷及最近準備的410和409工作面的回風留巷均出現了不同程度的頂板冒落，冒落寬度寬窄不一，有的達整個巷道寬度，有的寬度僅有1 m左右，冒落高度有的高達3～5 m，冒落長度有的長近30 m，有的僅在5 m左右。現場情況及冒落斷面簡圖如圖3所示；②頂板離層作為一種較為隱蔽的頂板破壞方式，從表象上會給人以完好的假象，但內部的已經產生不可逆的破壞，在此基礎上頂板只會進一步破壞，直至頂板冒落，期間只是時間的長短而已，而隨著礦井單個工作面的走向長度不斷加大，工作面留巷的時間也會不斷加長，遭受的破壞程度也就越大，所以在同等的支護條件下，留巷時間更長的409回風巷比410回風巷的破壞程度要大。通過先進的內窺設備，可以對頂板中利用現有的頂板離層儀無法測得的頂板離層進行直觀的窺視，真實的反應出頂板的現狀，如203工作面膠帶巷的頂板看似完整，但通過內窺設備觀察，頂板在0～2 m的深度內出現了近10個離層，反應了礦井井巷頂板在看似完整的情況下，已出現了較為嚴重的破壞，總結這10個離層，可以發現離層多發生于頂板中夾有的煤線，基于此判斷，巷道頂板中的煤線是頂板出現離層的一個重要的客觀因素，而在窺視中發現在據頂板表面5 m深的部位，仍然存在煤線，故頂板存在著進一步加大離層深度的可能性。具體情況如圖4所示。

a-北二一號輔運大巷冒頂圖；b-409回風巷冒頂示意圖圖3 頂板冒落型破壞特征

a-203膠帶巷完整頂板；b-203膠帶巷頂板離層；c-203膠帶巷頂板中煤線；d-北二一號輔運大巷頂板煤巖結合部離層圖4 頂板離層型破壞

幫部內臌或片幫：由于開拓和回采巷道存在支護形式的不同，開拓巷道幫部以內臌為主，回采巷道幫部以片幫為主，在北二受損大巷中幫部嚴重部位內臌達近2 m，長度達到20 m以上，遍及整個巷道高度；同時北二區域的回采巷道幫部片幫現象很普遍，在掘進過程中，巷道幫部就會發生不同程度的片幫，最大片幫量超過1 m，設計寬度為4.6 m的輔運巷，在片幫嚴重時，巷道寬度能達到6 m。內臌和片幫使巷道幫部失去強度，加大了頂板跨度，使巷道頂板的承載強度變大，頂板來壓后，壓力向幫部縱深方向傳遞，加劇幫部內臌和片幫，形成惡性循環。

底臌特征：底臌作為一種常見的礦壓表現形式，在二號煤礦是較為普遍的，受北二區域兩翼回采壓力影響，此次北二4條大巷底臌較為劇烈，幾乎遍及整個巷道，底臌量多達2 m以上，如圖5所示。從機理上說，在地質條件不變，且巷道兩幫內移量異常增大的情況下，本大巷的大量底臌主因為在兩幫巖層的擠壓下，使失去垂直方向上承載能力的底板巖層向巷道內彎曲[6]，直至巖層穩定。

a-北二三聯巷風門底臌破壞特征;b-北二一號輔運大巷底臌特征圖5 巷道底臌破壞特征

2.2 巷道失穩破壞原因

根據以上各破壞的類型以及表現形式，分析巷道破壞原因如下。

地質構造影響：作為一個影響礦井井巷破壞的重要客觀因素，地質構造一直是無法避免的，以本次北二4條大巷受損為例，根據礦井地質圖可以發現，4條大巷損壞區域為礦井煤層最低處，呈旋回構造，這也導致了兩側工作面回采結束后，區域頂板失穩，形成水平側向力較大，對巷道幫部形成擠壓，使各巷均產生不同程度的內移。

采動壓力影響：工作面開采完成后，在回采巷道是在留巷的一側形成采空區，而兩翼的四盤區是在北二大巷的兩側均形成采空區，這使得巷道上覆巖體應力重新分布，巷道附近地層壓力增大，進而增加作用在巷道兩幫煤(巖)體和支護體上的壓力，造成巷道片幫和內臌，同時增大了的巷道頂壓使巷道兩幫沉入巷道底板，加之巷道兩幫的內移，造成底臌。

支護強度不足：支護是作為保證巷道圍巖的穩定，克服地質構造及采動礦壓的影響，是礦井實現正常生產的基本手段。巷道支護強度相對于地質構造和采動礦壓對巷道圍巖產生壓力的大小比較，決定著巷道圍巖的穩定程度，從近期開拓和回采巷道遭受的破壞程度可以判斷出，當前礦井井巷的支護強度明顯滿足不了需要，也就是支護強度不足。

3 支護強度分析及改進措施

在上述巷道破壞原因分析中，地質構造和采動礦壓是不可改變的客觀因素，不能進行改進，而支護強度是可以根據圍巖承受壓力情況進行改進的主觀因素。現就目前巷道中所使用的主要支護材料錨桿、錨索進行支護強度分析。

3.1 錨桿支護強度分析

由于錨桿支護在開拓巷道中主要適用組合拱理論，而在回采巷道中適用組合梁理論，故將兩種巷道類型的錨桿強度分開分析。

開拓巷道：在開拓大巷的損壞中錨桿出現拉脫、拉斷或托盤拉穿的現象較少，說明巷道支護所用錨桿的錨固力、強度以及錨桿托盤的強度均能滿足圍巖穩定需要。而根據窺視結果可發現巷道最大的破碎深度已達到2.2 m，不僅超過了支護錨桿2 m的錨固深度，同時根據組合拱理論，巷道中出現大面積的圍巖失穩變形，說明錨桿支護形成的擠壓加固拱不能承壓載荷明顯小于圍巖壓力，加固拱的厚度需增加，根據加固拱厚度與錨桿長度和間距之間的關系公式

(1)

式中：b—加固拱厚度，m，取值大于2.2；L—錨桿的有效長度，m；α—錨桿在松散體中的控制角，以45°計；a—錨桿的間距，m，取值0.8。故由式(1)可以計算出L>3 m，故目前巷道中使用的2.1 m長的錨桿已達不到支護要求，與要求的3 m以上相差較大，需加強。

回采巷道：同樣根據現場巷道冒頂后錨桿破壞情況可以看出，錨桿的未被拉脫、拉斷，但錨桿托盤被拉穿，說明錨桿錨固力、錨固深度以及桿體的強度均能滿足巷道支護的需要，而錨桿托盤的強度達不到支護需要；同時在對203膠帶巷新掘巷道內窺中，發現在巷道頂板看似完整情況下，在0～2 m的范圍內仍有10個離層，頂板已被破壞，說明錨桿的預緊力不足，不能對頂板進行有效的支護，同時也能說明錨桿錨固深度能滿足要求，需就錨桿托盤強度及錨桿預緊力進行回采巷道的錨桿支護強度分析。

預緊力：根據相關研究，錨桿的預緊力與螺母的扭矩存在以下計算公式

(2)

式中：F—錨桿預緊力；α—錨桿螺紋相對上升角；k—螺母與錨桿絲扣間的摩擦系數；D1—螺母外接圓直徑；D2—螺母內圓直徑；μ—螺母與托盤間的摩擦系數；M(φ)—螺母預緊力矩。根據目前礦井所用錨桿型號，可以設定：α，k，μ依次為12°，0.1，0.14；D1，D2，D分別為39.3，20.0，19.5 mm，可將式(2)簡化為

F=0.198M(φ)

(3)

同時，根據山巖壓力系數法頂壓計算公式

Pd=Sz·γ·2α

(4)

式中：γ—圍巖容重，t/m3，取值2.7；Sz—山巖壓力系數，取值0.5(圍巖節理裂隙發育、弱風化狀態)；α—巷道掘進斷面跨度之半，m，取值2.3；由此可算得式(4)中，Pd=6.21 t/m2，同樣根據壓力計算公式

F=Pd×S

(5)

式中：S—錨桿有效支護面積，m2，取值0.64(頂錨桿間排距為800 mm×800 mm)。故可算出F=3.97 t，帶入式(3)中可得出M(φ)=201 N·M。而為了實現頂板的均衡支護，就需使錨桿的預緊力達到錨索的100 kN，此時根據公式預緊扭矩值為505 N·M。由此可見，不管是為了滿足頂板圍巖支護的需要，還是實現頂板的均衡支護需要的錨桿扭矩均大于設計值100 N·M，故錨桿的預緊扭矩存在嚴重不足。

托盤強度：礦井目前所用錨桿托盤是由Q235鋼板加工而來，根據受力分析，各錨桿托盤在支護中主要受到剪切方向的作用力，而各項標準中并未提供Q235鋼板抗剪強度，故暫無法通過計算托盤剪切強度的方式對巷道中錨桿托盤支護強度進行分析。只能根據巷道破壞后對現場的觀察來確定，在對409回風巷修復過程中，可以看出巷道中冒頂區域頂錨桿拉脫、拉斷很少，基本是錨桿托盤被拉脫，說明在支護中，錨桿托盤的強度不能滿足巷道受壓后的支護需要。

3.2 錨索支護強度分析

首先通過對出現破壞的巷道的錨索支護進行觀察，發現錨索未出現拉脫現象，主要以拉斷、剪斷為主，同時也有錨索梁被拉穿的現象，類似于上節錨桿托盤強度，說明內容一樣，暫無法通過數理表達方式給出錨索梁不足的依據，只能認定其強度存在不足，而錨索被拉斷，可通過計算給出驗證，由于開拓和回采巷道中錨索作用相同，均是懸吊作用，所以本次以工作面輔運巷中錨索的支護強度進行計算分析。

根據式(5)的計算公式，在錨索間排距為1 000 mm×1 600 mm，故S取值1.6，由此計算出單根錨索受力為9.94 t，而在對礦井所用的φ21.8 mm的預應力鋼絞線進行的力學性能實驗中，整根鋼絞線最大拉力大于452 kN，即超過45.2 t，遠遠大于錨索的實際受力，故在巷道掘進過程中，極少出現錨索損壞現象，也就是在此過程中錨索支護強度能滿足巷道支護需求。但在工作面回采后，作為留巷的輔運巷錨索出現破壞的情況較多，說明在工作面回采后，頂板錨索破壞較多，且以拉斷為主，說明現有錨索支護在經過回采礦壓影響后，不能滿足頂板來壓需求，同時存在著受井下環境腐蝕，錨索自身強度降低，導致錨索支護強度不足。

3.3 巷道支護改進措施

增加錨桿預緊扭矩：對錨桿進行3次預緊，分別通過鉆機、加力扳手以及風炮對錨桿進行不同程度的預緊，最終實現錨桿的高預緊力，達到增加錨桿支護強度的目的。

增加托板厚度：將10 mm厚托板更換為12 mm厚，通過加厚錨桿托板，增加錨桿托板的抗剪強度，防止錨桿托盤被拉穿。

大巷錨桿：在大巷維護過程中采用φ22 mm×3 500 mm金屬錨桿代替φ20 mm×2 100 mm錨桿，加厚巷道組合拱厚度，增強巷道抗壓強度。

改7芯鋼絞線錨索為19芯防腐錨索：錨索的改變不僅增加了現有錨索支護的強度，同時也增加了錨索的防腐蝕能力，是錨索在經歷長時間的井下環境腐蝕后，仍能具備較高強度，發揮應有的支護作用。

4 結論

(1)礦井巷道圍巖破壞特征主要表現為頂板離層、冒落，幫部內臌或片幫，以及強烈底臌為主，分析其主要因素可知，旋回地質構造、強烈采動影響和支護形式及支護強度不足是導致巷道失穩破壞的主要原因。

(2)巷道支護強度計算分析表明，錨桿長度短、錨桿預緊力小、錨桿托盤強度低、錨索索體易銹蝕和拉剪破壞是造成巷道圍巖難以有效控制的主要誘因。因此，提出了以錨桿實施3次預緊、增加托板厚度、增加錨桿直徑和長度、采用19芯防腐錨索等為主的優化措施。