煤礦井下巷道支護結構的優化研究

柴 皓

（長治市煤礦技術服務中心， 山西 長治 046000）

引言

隨著煤礦井下綜采作業深度的不斷增加，井下巷道開挖后在綜采擾動和礦壓波動下巷道圍巖變形量大、穩定性差，傳統的淺層支護方案存在著支護效率低、支護強度不足的缺陷，給煤礦井下綜采作業安全和效率造成了極大的影響。許多科技工作者針對性地開展了大量的應用研究項目，用于提升煤礦井下巷道圍巖支護穩定性，提出了巷道圍巖產生不穩定變化的主要原因在于巖層在擾動作用下產生了非對稱的變形破壞。本文在前人研究的基礎上對巷道圍巖破壞原因進行了進一步的分析，發現深井處的圍巖結構破壞通常是巖層層間的滑移破壞導致的，因此提出采用高預應力錨索和高強度錨桿[1]相結合的控制方案，在井下巷道圍巖變形大的地方通過架設“U”型架和控制底鼓的方案進行補強支護，同時在全斷面處采用了注漿加強支護方案，有效提升了井下巷道圍巖的整體結構強度和在礦壓波動下的穩定性。

1 巷道圍巖變形機理分析

對巷道圍巖變形機理進行研究，確定井下巷道不穩定的主要因素，是進行支護結構優化的前提，通過對煤礦井下巷道圍巖變形區域實際的地質勘探，得出導致綜采作業過程中圍巖變形的原因主要包括以下幾個方面：

1）圍巖應力破壞。巷道在開挖過程中會破壞巖層內原有的應力平衡狀態，使巷道四周的巖層產生非均勻對稱的應力分布，增強了四周巖層內的剪切滑移力[2]，在受到綜采作業過程中擾動和礦壓波動的影響下，使頂板處巖層受力分離，進而導致圍巖結構的破壞和變形，其結構破壞原理如下頁圖1-1 所示。

2）井下圍巖地質因素。井下巷道頂板處的巖層結構強度差，多數處于裂隙發育地帶，在外界不穩定性因素影響下會迅速產生破壞，進而導致了巷道圍巖的失穩，其結構破壞原理如下頁圖1-2 所示。

3）支護強度不足。傳統淺層支護方案在支護過程中僅在支護區域鋪設一層混凝土結構，并且不會設置錨固措施，在綜采作業過程中一旦該區域出現滲水將導致該區域內巖層的吸水膨脹，使混凝土層開裂，在應力擠壓作用下導致底板出現起拱變形，產生底鼓現象，其結構破壞原理如下頁圖1-3 所示。

4）支護結構不合理。巷道圍巖支護的目的在于保持圍巖的殘余強度，提高在各種擾動作用下的穩定性，但采用錨桿固定式，支護作用單一，無法對圍巖產生足夠的支護阻力，因此極易導致圍巖出現變形，發生錨桿斷裂、圍巖垮落的事故，其結構破壞原理如下頁圖1-4 所示。

2 巷道圍巖支護方案優化

根據巷道圍巖的破壞機理分析，針對性地提出了井下巷道支護優化方案，采用了高預應力錨索和高強度錨桿相結合的控制方案，在井下巷道圍巖變形大的地方通過架設“U”形架和控制底鼓的方案進行補強支護，同時在全斷面處采用了注漿加強支護[3]方案，有效提升了井下巷道圍巖的整體結構強度和在礦壓波動下的穩定性，具體來說包括以下幾個方面：

1）非對稱支護。根據井下圍巖的非對稱剪切變形結構，針對性地采取非對稱的加強支護結構，在易變形的地方架設“U”形架，有效提高圍巖的抗變形能力。

2）高預應力錨索和高強度錨桿聯合控制。通過增加預固定應力值，提高支護時的初撐力和增阻速度，迅速地將巷道周圍的不穩定圍巖穩固為一個剛柔結合的一體化結構，同時通過高強度的預應力錨索，將松動的巖塊錨固到深處穩定的巖層內，提升抗擾動能力。

圖1 不同情況下的巷道圍巖破壞機理示意圖

3）控制底鼓。由于巷道底板的底鼓現象多是由于圍巖變形而產生的擠壓流動型底鼓，因此在新的支護結構中采用了幫角錨桿進行加強，利用支護結構底板處的圍巖塑性滑移線，實現對擠壓力的分流，進而控制巷道底板的變形。

4）全斷面注漿加強。為了解決巷道圍巖在不穩定狀態下的碎裂現象，采用了在巖層破碎處進行注漿加強的方案，使破碎區域的圍巖形成一個穩固的連續體，同時流動的漿液順著支護孔流入到錨桿支護系統內，形成了大深度錨索穩定支護，增強了深處穩定巖層的拉力，提升了整體的支護穩定性。

優化后的井下巷道支護結構如圖2 所示，在支護時，錨桿選用直徑為20 mm、長度為2 400 mm 的右旋螺紋鋼錨桿，設置時錨桿的間距為700 mm×700 mm，錨索選用直徑為21.6 mm，長度為8 000 mm的鋼絞線，設置間距為1 500 mm，U 型鋼支護的過程中可采用可收縮型拱形支架[4]，分四節串聯起來，在搭接處的長度設置為500 mm，搭接段的預緊力不小于 400 N·m。

采用優化支護結構后對巷道在綜采作業過程中的穩定性進行監測，結果如圖3 所示。由實際監測結果可知，優化后在60 d 內，頂板下沉量、底鼓量、兩幫移近量均不斷增加，超過60 d 后均逐漸趨于穩定，最大的頂板下沉量約為143 mm，比優化前降低了67%，底鼓量最大為79 mm，比優化前降低了74.6%，兩幫的移近量約為38 mm，比優化前降低了89.6%，由此可知，新的巷道支護結構能夠顯著提升井下巷道在綜采作業過程中的穩定性。

圖2 優化后的巷道支護結構示意圖（單位：mm）

圖3 優化后的巷道變形量示意圖

3 結論

針對煤礦井下巷道圍巖變形大、穩定性差，給井下綜采作業安全造成嚴重影響的現狀，本文提出了一種新的巷道支護結構，其采用了高預應力錨索和高強度錨桿相結合的控制方案，在井下巷道圍巖變形大的地方通過架設“U”型架和控制底鼓的方案進行補強支護，同時在全斷面處采用了注漿加強支護方案，根據應用結果表明：

1）圍巖應力破壞，井下圍巖地質條件差、強度不足，支護強度不足，支護結構不合理是導致巷道圍巖在綜采作業過程中出現不穩定的最大因素。

2）優化后頂板的下沉量約為143 mm，比優化前降低了67%，底鼓量最大為79 mm，比優化前降低了74.6%，兩幫的移近量約為38 mm，比優化前降低了89.6%。由此可知，新的巷道支護結構能夠顯著提升井下巷道在綜采作業過程中的穩定性。