深部巷道圍巖變形控制技術在岳城煤礦的應用

王 攀

（山西晉能控股煤業集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

引言

圍巖非連續、非協調大變形、大范圍失穩破壞，是目前深部巷道圍巖控制中最為典型的工程問題[1]。國內深部高應力巷道圍巖一般采用高強度、大剛度、高預應力支護技術，很多巷道通過二次支護甚至多次支護仍然不能有效控制圍巖大變形，特別是對于深部松軟破碎巷道、動壓巷道等，通常表現為錨桿（索）被拉斷、圍巖支護系統失效從而導致冒頂、片幫和底鼓等一系列劇烈的礦壓顯現現象，巷道經過多次翻修仍無法實現穩定。與此同時，巷道的支護成本與維護費用成倍增加，嚴重制約了煤礦企業的安全生產和經濟效益。

1 現場概況

岳城煤礦主采3號煤層。井田內3號煤層賦存穩定，但結構復雜，煤質松軟，厚度一般為3.5～5.2 m，平均厚度為3.2 m，煤層傾角為1°～15°，平均傾角為8°，埋藏深度為463.9～633.9 m，平均埋藏深度均大于500 m。工程地點是一盤區1311工作面13111巷、13112巷兩條回采巷道，其布置如圖1所示。

圖1 1311工作面布置圖

目前，隨著井下一盤區延伸，煤層埋深逐漸增大，約620～1 100 m，煤層結構簡單，回采巷道采用錨桿、錨索聯合支護，生產過程中仍存在以下技術難題：一是隨著煤層埋藏深度的增加，回采巷道圍巖變形量大，特別是復用巷道的片幫和底鼓嚴重，頻繁巷修造成人力物力損失；二是巷道補強支護效果不理想，巷道普遍存在錨索、錨桿拉斷現象，深部巷道礦壓顯現特征和軟巖化傾向，即巷道變形量大、非線性變形，變形時間長，具有蠕變特征，伴隨強烈底鼓現象。因此必須深入分析支護失效、巷道失穩破壞的主要原因，針對性制定巷道支護設計方案，確保礦井的安全回采。

2 巷道變形原因分析

巷道圍巖支護不利是導致巷道變形的主要原因。經過現場調研，巷道圍巖支護存在如下問題：巷道所處位置應力水平增高，主要原因是埋深增大導致巷道圍巖的力學行為、變形特性、圍巖區域特征亦發生了變化，因此方案設計時應考慮增加木墊板或使用卸壓錨桿等方式增加支護強度；錨桿、錨索搭配不當導致的支護體與圍巖間不耦合，支護時可考慮通過錨桿支護參數的調整，使巷道周邊形成一定厚度和強度的加固拱或加固帶；群體錨桿、錨索間支護整體性差，錨固力不均衡，造成個別錨桿、錨索受力過大，出現應力過度集中[2]。因此，支護方案設計時考慮增加鋼帶或鋼筋梯，增強整體性，加設木墊板，協調變形，實現錨固力均衡。

3 巷道支護初步設計

通過對回采巷道存在支護問題及其原因進行分析，并結合1311工作面煤層頂底板巖性、賦存狀況，基于巷道屬于“深部巷道”為特征[3]，制定方案如下。

3.1 支護方式確定

IV類圍巖屬于穩定性較差的巖層，距巷道頂板5~6.0 m范圍內沒有穩定巖層，很容易產生冒頂和片幫，巖性多為頁巖、泥巖、膠結程度較差的砂巖和硬煤。故支護方式選定為：錨桿+錨索+鋼筋梯+金屬網+木托盤聯合支護方式，為了增加可錨性防止圍巖風化和圍巖補強，13111巷掘后噴漿，13112巷圍巖注漿+噴漿。

3.2 巷道規格尺寸

13111巷巷道斷面為矩形，沿頂留底掘進，掘進寬度為5 600 mm，高為4 500 mm，掘進斷面積為25.2 m2；凈寬為5 400 mm，凈高為4 400 mm，凈斷面積為23.76 m2；13112巷巷道斷面為矩形，沿頂留底掘進，掘進寬度為5 000 mm，高為4 500 mm，掘進斷面積為22.5 m2；凈寬為4 800 mm，凈高為4 400 mm，凈斷面積為21.12 m2。

3.3 支護設計

巷道頂板支護如圖2所示。

圖2 頂板支護設計圖（未標單位：mm）

如圖2所示，頂板支護采用MSGLW-500/22-2400左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，搭配拱型高強度托盤，頂角錨桿托盤規格為300 mm×200 mm×10 mm，其他托盤規格為150 mm×150 mm×10 mm，錨桿間距850 mm，排距1 000 mm；錨索間距1 700 mm，呈五花布置，排距1 000 mm。補強支護采用SKP17.8-1/1860-5400 mm錨索搭配300 mm×300 mm×16 mm高強度可調心托盤。鋼筋托梁采用Φ14mm的鋼筋焊接而成，寬度80 mm，長度4.9 m，在安裝錨索的位置處焊接上兩段縱筋，縱筋間距100 mm，以便安裝錨索。W鋼帶護板：采用W鋼帶切割而成，型號W280×400/4，頂角錨桿不使用。

巷道兩幫支護見圖3，支護材料與頂板基本相同，間排距方面，兩幫錨桿間距1000 mm，排距1 000 mm；錨索間距1 000 mm，呈三花布置。

圖3 兩幫支護設計圖（未標單位：mm）

4 效果驗證及結論

為有效驗證支護設計現場效果和參數優化，在13111巷采用十字檢測法對巷道圍巖變化進行為期80 d的實時監測，結果如圖4所示。

圖4 實驗巷道圍巖變化曲線圖

由圖4可知，巷道圍巖變化可分為兩個階段：第一階段為0~25 d，此時頂底板和兩幫圍巖較大，頂底板的相對收斂量為329 mm，兩幫的相對收斂量357 mm；第二階段為25~80 d，此時頂底板和兩幫圍巖變化開始逐漸趨于平緩，到第80天時，頂底板圍巖相對收斂量為409 mm，兩幫圍巖的相對收斂量為462 mm。說明采用該支護方案后巷道圍巖變化得到了較好控制，圍巖整體變形速度較小，但依舊處于持續變形中。因此應進一步加強后期的圍巖變形觀測，及時進行超前注漿或補強錨索，保證巷道服務期間安全使用。