條帶砌碹支護在巷道掘進過斷層破碎帶支護中的應用

郭 威

（山西煤炭運銷集團古縣東瑞煤業有限公司， 山西 臨汾 042045）

引言

在礦井開采、回采巷道掘進等環節中難以避免會揭露斷層、褶曲、陷落柱等地質構造，在地質構造破碎帶內掘進時圍巖面臨破碎、承載能力差、應力集中等問題，給巷道正常的掘進安全帶來制約[1-2]。現階段眾多的研究學者對破碎帶內圍巖支護技術展開研究，并提出采用管棚超前支護、超前錨桿支護、圍巖注漿、分布耦合支護等技術方案，取得一定的應用成果[3-6]。但是受到圍巖破碎、承載能力差以及采動壓力等多重因素影響，斷層破碎帶內巷道圍巖變形量較大。山西某礦3506 運輸巷設計掘進長度3 680 m，服役時間接近3 年，巷道掘進至圍巖破碎帶時面臨圍巖變形嚴重、支護難度大以及頻繁修整等問題，為此，提出將原有的錨網索噴支護方式優化為條帶砌碹支護方式，通過增強支護強度來達到控制圍巖變形的目的，圍巖控制取得較好效果。

1 3506 工作面工程概況

3506 工作面開采5 號煤層，煤厚介于3.17～5.26m，賦存穩定，頂底板以泥巖、粉砂巖等為主。3506 工作面設計推進長度3 638 m，采面斜長268 m，設計開采時間2.2 年，為礦井主力生產采面。3506 運輸巷沿5號煤底板掘進，巷寬6.0 m、高4.9 m，直墻半圓拱型斷面，根據已有地質資料顯示，3506 運輸巷掘進過程中會揭露F18、F5 以及F86 等斷層，具體對巷道掘進影響較大的斷層參數見表1。

表1 3506 運輸巷掘進揭露部分斷層參數

巷道圍巖支護采用錨網索噴方式，巷道全斷面鋪設鋼筋網（1 500 mm×800 mm×100 mm）、噴射C25混凝土（厚度100 mm）；錨桿規格Φ20 mm×2 500 mm，間排距800mm、800mm；錨索規格Φ21.8mm×7100 mm，間排距1 200 mm、1 600 mm。3506 運輸巷在地應力、構造應力以及圍巖破碎等因素綜合作用下，導致巷道圍巖變形量大，局部位置出現錨噴層脫落、金屬網外露以及頂板、量幫變形量大等問題，具體巷道位置變形情況如圖1 所示。礦方技術人員及管理人員通過對巷道變形特征進行分析，并結合其他礦井破碎圍巖巷道控制策略，提出通過增強巷道支護強度的方式提高圍巖控制效果，具體采用條帶砌碹方式對圍巖進行支護。

圖1 巷道遇斷層破碎帶圍巖變形現場圖

2 條帶砌碹支護應用

砌碹支護可顯著提高巷道表層圍巖支護強度，從而達到降低圍巖變形量的目的。3506 運輸巷在圍巖條件相對較好區域采用錨網索噴支護方式時可滿足圍巖控制需要，僅在圍巖破碎區出現變形量較大的問題，為此為提高巷道支護工程量并降低支護耗時，條帶砌碹支護僅在破碎帶及兩側各5 m 范圍內采用。

2.1 條帶砌碹支護混凝碹體厚度確定

條帶砌碹碹體厚度與支護所在位置埋深、地質條件、支護結構等因素密切相關，具體砌碹碹體厚度可通過下述公式計算：

收稿日期：2021- 11- 24

作者簡介：郭威（1981—），男，山西臨汾人，畢業于中國礦業大學采礦工程專業，從事煤礦安全管理工作。

式中：r 為運輸巷斷面等代圓半徑，取4 900 mm；fc為砌碹支護強度，取30 MPa；vk為支護安全系數，取3；P 為砌碹實際載荷，MPa。

砌碹垂直載荷q 可通過式（2）計算：

式中：γ 為巷道圍巖容重，取27 kN/m3；S 為巷道圍巖等級，取5；ω 為影響系數，取0.96。

將相關數據帶入式（2）得：q=0.18 MPa。

設計的砌碹寬度為1 600 mm，兩砌碹條帶間間距為800 mm，為此條帶砌碹實際需要承受寬度2400mm圍巖載荷，具體砌碹實際載荷P=q2400/1600=0.27MPa。

將r=4 900 mm、fc=30 MPa、vk=3、P=0.27 MPa 帶入式（1）中，計算得h=138.3 mm，為確保安全，取安全系數1.5，為此條帶碹體厚度為210 mm。

2.2 支護方案設計

3506 運輸巷在地質條件正常區段采用常規的錨網索噴支護方式，而在圍巖破碎范圍區段內掘進時綜合采用錨桿支護、砌碹支護控制圍巖變形。錨桿支護緊跟掘進迎頭，并在距離掘進迎頭一定距離進行條帶砌碹支護。具體巷道掘進至破碎帶時錨桿、砌碹支護斷面如圖2 所示。其中砌碹段長度1 600 mm、錨桿支護段長度800 mm，砌碹段及錨桿支護段交替進行。

圖2 圍巖破碎帶條帶砌碹支護斷面（單位：mm）

2.2.1 錨桿支護參數

3506 運輸巷掘進至破碎帶時錨桿支護設計斷面如圖3 所示，其中圍巖支護使用的錨桿規格均為Φ20 mm×2 500 mm，間排距800 mm、800 mm，整個支護斷面布置11 根錨桿，除兩側巷幫靠近底板錨桿有15°外插角外，其余錨桿均垂直巷道壁施工；支護采用的鋼筋網寬度800 mm，采用Φ6.5 mm 圓鋼焊接制作，網孔150 mm×150 mm。

圖3 錨桿支護斷面圖（單位：mm）

2.2.2 砌碹支護設計

在砌碹段采用的規格為Φ20 mm×2 800 mm，錨桿長度較錨桿支護段增加300 mm，其余錨桿布置參數與錨桿支護段一致。砌碹段采用的錨桿尾部桿體外漏長度300 mm。砌碹采用的混凝土強度為C30、厚度210 mm，如圖4 所示。

圖4 砌碹支護段示意圖（單位：mm）

巷道砌碹段支護流程為：巷道圍巖錨桿施工→里側托板安裝→柔模架設→安裝金屬網→外側托板安裝→泵送混凝土→成巷。具體砌碹支護中采用柔模規格為1.6 m×12.5 m×0.20 m，采用的水泥為P42.5R。混凝土攪拌、運輸等采用型號KTRHZSJ-50 制備輸送機組（見圖5），混凝土產能為50 m3/h，可滿足巷道砌碹混凝土使用以及遠距離泵送需要。由于砌碹支護滯后掘進迎頭，因此可實現巷道掘進與砌碹支護平行作業。

圖5 混凝土制備輸送機組

2.3 圍巖支護效果分析

在3506 運輸巷圍巖破碎帶采用條帶砌碹支護后，對錨桿受力以及圍巖變形進行監測。現場監測發現，錨桿受力穩定，未出現破斷或者失效等情況；同時巷道圍巖變形較小，頂板、兩幫發生在錨桿支護段、最大變形量僅為12 mm，圍巖變形量整體較小。

通過在破碎圍巖段采用條帶砌碹支護，在采面后續回采過程中基本不需要對巷道進行修整，提高了巷道使用效率，并降低了后續維護工程費用。

3 結語

3506 運輸巷服役時間接近3 年，巷道掘進至圍巖破碎段時受地應力、圍巖承載能力差、支護強度低等因素影響，存在圍巖變形量大、支護結構失效等問題，需頻繁修整，無法滿足采面煤炭高效開采需要。為此，提出采用條帶砌碹方式對破碎帶圍巖進行支護，砌碹段（長1 600 mm）與錨桿支護段（長800 mm）交替進行，不僅提升了圍巖支護強度，而且降低了砌碹支護工程量。

采用理論計算法確定砌碹段砌碹厚度為210 mm，并依據現場實際情況對圍巖破碎段條帶砌碹支護方案進行設計。現場應用后，有效控制了破碎帶巷道圍巖變形，在后續使用過程中基本不需要修整，可為3506 綜采工作面煤炭高效開采創造良好條件。