南關煤業受動壓影響巷道鋼管混凝土支架支護應用研究

郝志軍，王西林，何曉升，單仁亮

(1.山西汾西礦業(集團)有限責任公司，山西 介休 032000；2.山西大同大學，山西 大同 037000；3.中國礦業大學(北京)，北京 100083)

巷道支護的目的在于維護開挖空間的穩定性，保證巷道功能的實現。為采區服務的準備巷道一般服務年限在十年以上，且受到附近工作面回采的采動影響，若巷道圍巖軟弱破碎或原巖應力較大，則巷道易發生流變變形，難以維持巷道的長期穩定[1-7]。

汾西礦業(集團)公司南關煤業三采區西翼軌道巷、西翼皮帶巷和西翼回風巷服務于三采區工作面回采以及未來的五采區工作面回采。巷道服務年限長，三條大巷圍巖持續變形始終困擾著該礦的煤炭生產。雖經歷多次返修，巷道圍巖流變仍難以控制，截至2018年12月，三條大巷因不滿足使用要求而需要刷擴返修的巷道總長度約為3000m，巷道維修任務量很大。

鋼管混凝土支架具有承載能力大，延性好且便于安裝的特點。近年來，在一些軟巖巷道、斷層破碎區巷道和動壓巷道支護中發揮了良好的應用效果[8-15]。

在分析巷道圍巖條件、原巖應力條件和原有支護變形特征的基礎上，提出了基于鋼管混凝土支架的復合支護方案，并在3209工作面動壓影響區域進行了現場試驗。本文在理論分析的基礎上，論述了鋼管混凝土支架方案設計及應用效果，希望能為地質條件相近的巷道支護提供有益借鑒。

1 工程概況

1.1 地質概況

南關煤業西翼運輸巷、西翼軌道巷和西翼回風巷三條下山平行布置，沿2#煤層頂板掘進，巷道埋深為500～560m。2#煤頂底板巖性見表1。

表1 巷道頂底板巖性

1.2 原巖應力情況

南關煤業井田區域內斷層較多，為了解三采區原巖應力狀況，分別在3201材巷和西翼回風巷采用鉆孔套芯應力解除法進行原巖應力測量。地應力測試空心包體應力計安裝情況見表2，地應力測試結果見表3。

由空心包體應力計安裝情況可知，3201材料巷31°孔和西翼回風巷14°孔所安裝應力計處于泥巖中，泥巖在打鉆過程中易破裂松動，產生較大的應力重分布，因此舍棄這兩個孔的測試結果。

表2 空心包體應力計安裝情況

原巖應力測量結果表明水平應力大于垂直應力，最大主應力為水平應力，水平應力的方向為43°～95°，最大水平主應力為垂直應力的1.90～2.50倍，由于水平地應力造成的礦壓顯現向頂底板轉移，巷道頂底板變形量大于兩幫收縮量。最大水平應力、最小水平應力、垂直應力以及三者之間的關系見表3。

表3 地應力測試結果

2 巷道原有支護情況及變形特征

以南關煤業具有代表性的西翼軌道(巷道里程1320～1414m段)為例，分析巷道原有支護條件下的變形情況。該段巷道使用“36U型鋼支架+錨網噴”聯合支護，支護強度較高，巷道受工作面回采動壓影響，與回采工作面停采線平距為133.5m，巷道流變變形量較大。三條大巷保護煤柱寬度為80m，與工作面臨近的大巷受采動影響最大，支護難度最大。

2.1 原有巷道支護情況

西翼軌道巷里程1320～1414m段于2014年10月進行返修，支護采取錨網噴+馬蹄形36U型鋼支架聯合支護。巷道支護斷面如圖1所示。

具體參數如下：

錨桿選取型號為?20mm×2400mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm。

錨索選用規格為?17.8mm×6000mm鋼鉸線，頂錨索布置3根，間排距為1600mm×1600mm。

巷道全斷面掛鋼筋網，采用直徑6.5mm圓鋼加工，網格為100mm×100mm，搭接長度為100mm。

錨筋網支護后，進行全斷面初噴，初噴厚度為30～50mm，復噴70～50mm，噴射混凝土厚度為100mm，噴射混凝土強度等級為C20。復噴后架設36U型鋼支架，支架安裝滯后復噴10m以內 。

36U型鋼支架間距為1m，支架結構為6段式，相鄰各節以卡蘭搭接，每處搭接長度為0.5m。

圖1 西翼軌道巷支護斷面圖(mm)

2.2 巷道變形特征

截至2018年10月，巷道寬度收縮0.4m，高度收縮1.2m，U型棚扭曲變形。

2.3 巷道變形原因分析

巷道變形原因分析如下：①高構造地應力。區域內構造較多，根據地應力測試結果，水平應力約為自重應力的兩倍，巷道頂底板移近量高于兩幫移近量；②煤層強度低。煤層單軸抗壓強度僅為10MPa，約為原巖最打應力的2/3，約為巷道開挖后應力重分布區域內理論應力峰值的1/3，在高應力環境下，巷道兩幫煤壁極易發生破壞；③巷道未受采動影響期間，巷道圍巖呈緩慢流變狀態，累計頂底移近量約為660mm，說明巷道支護強度不足，難以維持巷道圍巖的長期穩定；④巷道受到3211工作面回采動壓影響，3211工作面終采線與該段巷道平距為133.5m，2017年8月3211工作面回采完畢。工作面回采過程中，圍巖變形速度較快，回采動壓影響期間累計頂底板移近量約為540mm。

3 巷道圍巖變形機理與控制對策

巷道開挖后，未支護情況下，圍巖壓力大于巖石的極限強度，圍巖變形速度快，巷道圍巖切向應力峰值向圍巖內部轉移，巷道壁處圍巖壓力降低，有利于巷道穩定。隨著塑性變形的繼續發展，開挖空間內的圍巖塌落，形成松散巖體，對支護體產生松動壓力，松動壓力的升高不利于巷道穩定。因此，巷道支護過程中，應當使支護體具有一定的讓壓變形能力，同時還應提供較大支護反力。南關煤業西翼三條大巷已經歷多次返修，圍巖破碎松散，巷道變形以“有害變形”為主。

南關煤業西翼三條大巷圍巖變形以長期流變變形為主，動壓影響期間巷道變形速度較大，無回采擾動影響時，圍巖變形速度較小。巷道變形速率特征表明，巖石處于強度極限鄰域內。

所謂巖石強度極限鄰域，是對巖石應力狀態而言的，在簡單的壓(拉、剪)應力狀態下，巖石具有一個強度極限值σ0，依據一定條件給定一個Δσ，如果巖石的應力σ滿足于：

|σ0-σ|≤Δσ

則稱巖石處于強度極限鄰域內，Δσ稱之應力強度極限鄰域的寬度，簡稱為鄰域寬度，Δσ代表了巖石強度極限鄰域的范圍。

使圍巖脫離強度極限鄰域的方法是增強圍巖強度極限值，增大圍巖強度和巖石應力的差值，支護體的支護力對巷道圍巖產生徑向約束，在徑向約束狀態下，提高了處于三軸應力狀態下圍巖的σ3，提高巖體的長期強度σS和巖石極限強度σ1。支護力越大，對巖體的長期強度和極限強度提高就越大。當支護強度提高到一定值以后，圍巖便能夠脫離強度極限鄰域，巷道流變便得到了控制。

提高圍巖強度的主要技術方法：根據實驗室測試結果可知，相同斷面的?194mm×8mm(支架主體線密度36kg/m)鋼管混凝土支架承載力是36U型鋼支架承載力的2.65倍[16]。因此，采用鋼管混凝土支架支護可有效提高大變形巷道支護體支護強度。建議采用基于鋼管混凝土支架的復合支護進行巷道返修。

4 巷道支護設計與支護效果分析

由于西翼三條大巷需要刷擴返修的巷道總長度約為3000m，巷道返修人力物力投入大，南關煤業急需尋求一種能夠維持西翼三條大巷巷道動壓影響區域圍巖穩定的支護形式。

為驗證各種支護對策支護效果，選取3209工作面附近的西翼回風巷為試驗段。選取該段作為試驗段的原因如下：①3209工作面于2019年9月17日進行回采，預計2020年6月末結束，可在動壓影響前完成試驗段返修加固，監測回采動壓試驗段巷道的圍巖變形情況；②該試驗段與工作面平距最近，受動壓影響最大，若能夠保持該段巷道圍巖在回采動壓期間的圍巖穩定，則可判定這種支護形式滿足使用要求，可推廣至三條大巷返修支護中；③該段巷道足夠長，礦方決定分別采用3種巷道返修加固方式(基于鋼管混凝土支架的復合支護段；全斷面錨索支護段；全斷面錨索+注漿加固支護段)，進行現場對比實驗。試驗段位置如圖3所示。

圖2 巷道位置

4.1 鋼管混凝土支架支護段支護設計

西翼回風巷鋼管混凝土支架支護段支護參數如下：①錨桿選取型號為?20mm×2400mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm；②錨索選用規格為?17.8mm×6000mm鋼鉸線，頂錨索布置5根，間排距為1600mm×1600mm；③錨網支護后，進行全斷面初噴，初噴厚度為30～50mm，復噴70～50mm，噴漿厚度為100mm，噴射混凝土強度等級為C20；④鋼管混凝土支架主體鋼管型號為 ?194mm×8mm，支架間距0.8m。支架壁后鋪?3賓格網，以水泥背板接頂密實。

試驗段鋼管混凝土支架支護斷面如圖3所示。試驗段于2020年4月20日施工完畢，此時3209回采工作面距離西翼回風巷平距200m。

圖3 試驗段鋼管混凝土支架支護斷面(mm)

4.2 “全斷面錨索+圍巖注漿”加固支護設計

由于巷道圍巖破碎，自穩能力差，為提高圍巖的自穩能力和錨索支護效果，圍巖注漿加固段擬采用圍巖注漿加固和錨網索加強護巖的手段加固該段巷道。

圍巖注漿加固段支護參數如下：①錨索選用規格為?17.8mm×6000mm鋼鉸線，全斷面錨索支護，間排距為800mm×800mm；②錨索配300mm×300mm×16mm托板，沿垂直于巷道軸線的斷面方向，錨索間以W鋼帶相連，W鋼帶內鋪賓格網，增強支護體的整體性。③使用注漿錨索對該段巷道進行圍巖注漿加固，采用水泥基注漿材料，水灰比為1∶2，中空注漿錨索注漿壓力不低于7MPa。

圍巖注漿加固2020年4月26日施工完畢。全斷面錨索支護試驗段相比而言只是不進行注漿加固。

4.3 變形監測與效果分析

自2020年5月2日(回采工作面與試驗段平距150m)，對實驗段采用“十字布點法”監測西翼回風巷試驗段巷道變形量。巷道變形監測情況如圖4所示。

圖4 巷道寬度方向收斂量曲線

圖5 巷道高度方向收斂量曲線

其他情況說明：3209工作面5月15日(回采工作面與試驗段平距103m)工作面終采，6月1日復采開始工作面末采，6月20日末采完畢。

支護效果分析：①總體而言，鋼管混凝土支架支護段巷道收斂量<注漿加固巷道收斂量<未注漿加固段巷道收斂量；②截止工作面末采完成20d后，鋼管混凝土支架支護段巷道最大收斂量在100mm以內，且巷道圍巖變形已趨于穩定；③沒有進行鋼管混凝土支架支護段巷道，巷道最大收斂量大于460mm，且巷道流變變形還在持續。

綜上所述，所設計的鋼管混凝土支架支護能夠維持動壓影響下的南關煤業西翼回風巷長期穩定。

5 結 論

1)為解決南關煤業西翼三條大巷的支護問題，分析了巷道圍巖條件、原巖應力條件和原有支護變形特征。

2)提出了基于鋼管混凝土支架的復合支護方案，并在現場實驗中與其他返修加固形式相對比。

3)根據“十字布點”監測法監測試驗段巷道變形，工作面末采完成20d后，鋼管混凝土支架支護段巷道最大收斂量在100mm以內，巷道圍巖變形已趨于穩定。這種支護形式適用于南關煤業西翼三條動壓大巷支護。