復雜條件下大斷面巷道掘進支護技術研究

張妙生

(西山煤電建筑工程集團有限公司 礦建分公司，山西 太原 030024)

隨著煤炭資源的不斷開采，當前煤層地質條件復雜程度不斷增大，煤層內構造、頂底板條件愈發復雜多變，巷道掘進施工難度增大[1-2]。同時隨著礦井機械化水平的提高，井下巷道所需斷面不斷增大，圍巖應力分布及承載情況也在不斷變化，巷道支護方式需進一步優化，以保證圍巖穩定性，確保后期工作面回采時正常使用[3-5]。本文以山西斜溝煤礦18505工作面膠帶巷條件為基礎，采用理論分析、窺視分析、礦物成分鑒定方法，對復雜條件下大斷面巷道圍巖控制技術進行了研究，研究結果對本礦其他相鄰地質條件巷道支護技術有一定借鑒作用。

1 工程背景

斜溝煤礦18505工作面開采煤層為8號煤，煤層厚度平均為3.14 m，傾角平均為4°，埋深在160～390 m范圍內，煤層結構復雜，塊狀條帶狀均有，內含1～2層泥巖夾矸，其中上層夾矸較穩定，厚度在0.1～0.3 m，下層夾矸不穩定，煤層強度f約為2～3。18505工作面膠帶巷為主進風巷，斷面大小為5.5 m×3.6 m，工作面頂板綜合柱狀圖如圖1所示。18505膠帶巷巷道設計長度3 193 m，目前已施工199 m，施工過程中，巷道兩幫片幫情況嚴重，嚴重影響了巷道掘進效率。

圖1 頂板綜合柱狀圖

2 巷道圍巖變形機理分析

2.1 頂板圍巖結構窺視

為研究18505膠帶巷圍巖變形原因，分析覆巖內部結構發育情況，采用鉆孔窺視方法對工作面上覆10 m范圍內巖層進行了觀測，鉆孔窺視圖，如圖2所示。

圖2 鉆孔窺視圖

從圖2中可以看出，孔內1.8 m處頂板破碎，存在空洞；孔內2.9 m處存在縱向裂隙，裂隙長度約為45 mm；孔內4.6 m、5.4 m處存在離層現象，總體來看鉆孔內節理裂隙發育較多，巖層穩定性較差。基于該窺視結果可以得出，巷道頂板巖層整體穩定性較差，淺部構造發育較多。

2.2 礦物成分鑒定分析

18505膠帶巷兩幫為本煤層，煤層含有兩層夾矸，巖性主要為砂質泥巖，對該巖體進行礦物成分鑒定，測驗結果顯示該巖體成分主要為蒙脫石、石英、云母、高嶺石、綠泥石等，含泥量較高，并且蒙脫石含量達到30%左右，蒙脫石屬于膨脹軟巖，內部結構較松散，遇水后極易出現膨脹變形[6]。由于巷道施工過程中，煤層夾矸受空氣中水分影響不斷膨脹，導致煤體內部產生擠壓作用力，極大地弱化了兩幫煤體結構。

2.3 圍巖失穩機理分析

由于礦井設備的不斷更新，井下巷道所需寬度也在不斷改變，18505巷為膠帶巷，巷道斷面寬度為5.5 m，屬于大斷面巷道。為驗證圍巖失穩與巷道寬度之間的關系，根據普氏壓力拱理論，建立壓力拱計算模型，如圖3所示。

圖3 壓力拱巷道模型圖

壓力拱的拱高計算公式為[6]：

(1)

對于淺埋煤層，水平構造應力是巷道圍巖承載的主要來源。巷道開挖后，水平構造應力一部分作用于巷道頂底板，另一部分作用于巷道兩幫。當水平應力較大時，巷道頂底板主要發生剪切破壞，兩幫發生拉伸破壞，頂底板變形量的增大會導致巷道兩幫變形量的增大，引發片幫現象[7]。18505膠帶巷巷道斷面寬度為5.5 m，相比于正常巷道斷面寬度較大，在水平構造力的作用下，由于斷面寬度增大，頂板極易產生較大變形，導致兩幫煤體承受載荷的增大，當該載荷超過煤體承載極限后，兩幫煤體將出現破壞變形，導致片幫現象發生。

綜合上述分析結果，18505膠帶巷頂板圍巖內部節理裂隙發育較多，穩定性較差，并且該巷道屬于大斷面巷道，頂板巖層變形量的增大導致兩幫承受載荷的增大，同時由于兩幫煤體受膨脹軟巖弱化影響，圍巖強度降低，承載能力差，出現片幫變形現象，因此針對18505膠帶巷圍巖變形機理，需控制頂板圍巖變形，增大兩幫支護強度。

3 巷道支護方案研究

3.1 現場實踐

針對18505膠帶巷掘進過程中出現的支護問題，根據上述分析，18505膠帶巷斷面寬度較大，需增大頂板錨桿支護密度，確保淺部頂板能夠形成一個穩定可靠的承載組合梁結構，同時將增大錨固區厚度，提高主動支護力，并且通過增大補強錨索支護密度，強化錨索懸吊作用，減少頂板離層量；巷道兩幫需增大錨桿支護密度，強化兩幫圍巖控制力，保證夾矸巖層的穩定性。巷道支護方案優化后，采用錨桿+錨索+W鋼帶+金屬網聯合支護方式，頂、幫錨桿長度由1 800 mm改變為2 400 mm，錨桿預緊扭矩調整為400 N·m，頂錨桿間距由1 050 mm調整為950 mm，幫錨桿間距由1 100 mm變為1 000 mm，頂板增加W鋼帶將所有錨桿進行聯鎖，頂板補強錨索由2-0-2-0布置變為2-1-2-1布置。表1為18505膠帶巷前后支護方案對比優化表，優化后的支護方案如圖4所示。

表1 18505巷支護方案優化對比

3.2 支護效果分析

18505膠帶巷掘進199 m后，由于頂板出現斷錨桿現象，同時兩幫片幫嚴重，頂板離層值達到165 mm，兩幫變形量達到144 mm，圖5為優化前巷道圍巖變形圖。由于巷道變形嚴重，巷道開始停掘并對支護設計進行了優化，優化后巷道掘進長度約為860 m。到目前為止施工過程中，巷道未出現明顯礦壓顯現現象，無錨桿斷裂情況出現，掘進單次循環進度為2 m，兩幫基本沒有片幫現象出現，單日循環進度平均達到12 m，與過去相比提高了30%.對掘進過程中巷道圍巖變形情況進行了監測，圖6為支護方案優化后的巷道圍巖變形圖。

圖5 優化前圍巖變形監測圖

圖6 優化后圍巖變形監測圖

從圖6可以看出，頂板下沉量最大約為61 mm，兩幫變形量最大為37 mm，巷道圍巖穩定，支護系統承載狀態良好。

4 結 語

本文以斜溝煤礦18505工作面膠帶巷地質條件為基礎，采用理論分析、窺視分析、現場實踐的方法，對復雜條件下大斷面巷道圍巖控制方案進行了研究，并對支護設計進行了優化，主要結論如下：

1) 隨著巷道寬度的增大，頂板承載載荷將不斷增大，頂底板容易發生剪切破壞，兩幫發生拉伸破壞，并且頂底板變形量的增大會導致巷道兩幫變形量的增大，導致片幫等現象出現，巷道穩定性降低，巷道承載圍巖逐步向深處轉移。

2) 18505膠帶巷頂板巖層淺部構造發育較多，兩幫夾矸含泥量較高，內部結構松散，遇水后極易出現膨脹變形，巷道整體圍巖穩定性較差。

3) 對巷道支護設計進行了優化，采用錨桿+錨索+W鋼帶+金屬網聯合支護方式，頂、幫錨桿長度由1 800 mm改變為2 400 mm，錨桿預緊扭矩調整為400 N·m，頂錨桿間距由1 050 mm調整為950 mm，幫錨桿間距由1 100 mm變為1 000 mm，頂板增加W鋼帶將所有錨桿進行聯鎖，頂板補強錨索由2-0-2-0布置變為2-1-2-1布置。支護方案優化后，圍巖變形量有了大幅降低，巷道支護情況穩定。