煤礦大斷面掘進巷道圍巖支護優化研究

武 強

（山西長平煤業有限責任公司，山西 晉城 048400）

引言

為了提升掘進效率、控制經濟成本，通常將采區和區段的巷道設置在煤層中。隨著開采深度的不斷增加，煤層結構逐漸復雜，主要特點為每層內部裂紋密度大、頂板巖層硬度較低等，給大斷面煤層巷道支護帶來了極大的難度。一旦參數選取不合理，就會導致巷道支護變形量過大，阻礙巷道的正常掘進作業。當前眾多學者將研究方向集中在大斷面煤巷支護技術領域，取得了一系列研究成果并應用于實踐中取得了良好的效果。本文以晉能控股煤業集團某礦集中回風上山巷道為研究對象，對現有的支護方式進行分析，總結出其中的不足之處，并設計了一種注漿錨索的優化方式，減小了巷道圍巖的變形量，提升了巷道圍巖的控制效果。

1 集中回風上山巷工作面地質條件及原支護情況

1.1 工作面地質條件

集中回風上山主要用于采區的回風，巷道地面標高和底板標高分別為+1 416 m 和+919.5 m，長度為1 306 m，坡度為12°。巷道掘進方向同山西組2 號煤層走向一致，2 號煤層均厚為5.5 m，煤層平均傾角為17°。煤層直接頂由泥巖組成，厚度為4 m；基本頂由砂質泥巖組成，厚度為6.37 m；直接底由砂質泥巖組成，厚度為2.6 m；基本底由細粒泥巖組成，厚度為9.6 m[1]。

1.2 原支護情況

巷道斷面形狀為半圓形，長度和寬度分別為5.44 m和4.82 m。現有的支護形式為錨網索噴支護。

1.2.1 錨桿支護

選取的錨桿直徑為22 mm、長度為2 400 mm，每排錨桿的數量為15 根，每根錨桿采用2 根Z2835 樹脂錨固劑進行錨固，為了確保錨桿的支護作用，頂錨桿預緊力矩應當超過200N·m，相鄰錨桿間的間距為800 mm、排距為800 mm。增設鋼筋焊接網保護支護表面，焊接網長度、寬度和厚度分別為1 000 mm、2 000 mm 和6 mm，網格長度和寬度均為100 mm。

1.2.2 錨索支護

選取普通錨索進行支護，錨索直徑為17.8 mm、長度為6 500 mm，每排錨桿的數量為5 根，相鄰錨桿間的間距為1 200 mm、排距為1 600 mm，每根錨索采用4 根22360 和1 根CK2360 錨固劑進行錨固，錨索錨固力應當超過120 kN[2]。

1.2.3 噴漿支護

噴漿選用C20 混凝土，巷道表面的噴漿厚度為120 mm。原支護參數斷面圖如圖1 所示。

圖1 原支護參數斷面圖（單位：mm）

集中回風上山頂底板圍巖均為泥巖，具有圍巖整體性較差、硬度較低以及承載能力較差等特點。此外，由于巷道的走向和煤層一致，不同區域煤層厚度存在一定差異，因此厚度較大處頂板會出現一定的托頂煤現象，增大了巷道的變形量，提升了巷道的支護難度。當前巷道作業區域圍巖破壞主要有以下特征：

1）巷道掘進完畢第一周，圍巖變形速率在21～27 mm/d 之間，最大變形速率能夠達到105 mm/d，其中頂板的位移量能夠達到1.54 m，側幫的位移量能夠達到1.47 m。

2）巷道穩定周期長。根據變形量監測結果可知，巷道掘進完畢后的持續變形周期在28～57 d 之間。

2 巷道變形原因分析及支護優化

2.1 原支護存在問題分析

1）錨索長度不足。巷道掘進尺寸參考基準為底板，因此煤層厚度較大處的錨索錨固深度難以滿足相關指標，導致錨索整體穩定性較差。

2）支護密度不夠，支護強度不足。兩幫未布置錨索，變形量難以控制。

3）支護失效現象普遍。圍巖整體性較差導致施加的預緊力出現一定程度的損失，巷道整體支護穩定性較差，難以實現主動支護。

4）巷道掘進方式影響。由于巷道沿煤層底板掘進，因此部分區域存在一定厚度的頂煤，巷道掘進過程中頂煤應力分布發生變化，極易出現破碎現象，降低支護方案的穩定性。

2.2 圍巖變形控制思路

針對巷道現有支護方案的不足，設計出一種注漿錨索強力支護方案。方案通過提升錨桿索預緊力大小，實現主動支護；通過注漿的方式提升支護區域周圍圍巖的整體性，避免預緊力損失；通過預應力全長錨固，增強圍巖的控制效果。優化后的方案具有以下特點：

2.2.1 改善圍巖力學性能

煤層具有硬度較低、整體性較差等特點，在巷道的掘進過程中極易出現破碎現象。通過注漿的方式能夠提升圍巖的承載能力和抗剪能力，降低巷道掘進對圍巖變形的影響[3]。

2.2.2 降低圍巖松動圈范圍

巷道掘進過程中圍巖應力分布發生改變，由三向應力轉變為二向應力狀態，此外由于淺部圍巖出現變形破壞現象，巷道圍巖形成松動圈。松動圈的形成說明巷道圍巖承載能力不足，應力超過許用應力導致圍巖破碎，因此通過注漿的方式提升圍巖的承載能力，避免了松動圈的出現。

2.2.3 避免風化作用

通過注漿的方式對圍巖中的裂紋進行填充，不僅在提升圍巖整體性的同時避免了裂紋和空氣的直接接觸，而且還降低了風化侵蝕對圍巖力學性能的進一步影響。

2.2.4 實現主動支護

采取注漿錨索注漿加固的方式，顯著提升了圍巖的力學性能，減小了松動圈的面積，避免了預緊力的損失，提升了圍巖和支護體的整體性，實現了主動支護的目標，提升了巷道整體的穩定性。

2.3 支護參數優化

以現有支護方案的不足之處為基礎，依照圍巖變形控制相關理論，得出支護優化方案斷面見圖2。

圖2 支護優化方案斷面圖（單位：mm）

現有支護方式為普通錨桿、錨索支護，圍巖整體性較差導致預應力難以順利傳遞，支護失效現象出現的概率顯著提升，因此選取注漿錨索的方式提升圍巖的控制效果。

選用錨桿直徑為22 mm、長度為2 400 mm，相鄰錨桿間的間距為800 mm、排距為800 mm。選用注漿錨索直徑為22 mm、長度為8 500 mm，每排錨索的數量為9 根，頂板相鄰錨索間的間距為1 200 mm、排距為1 600 mm，幫部相鄰錨索間的間距為1 000 mm、排距為1 600 mm，每根錨索使用4 根Z2360 和1 根CK2360 錨固劑，錨索錨固力應當超過300 kN。

為提升圍巖裂隙的注漿效率，注漿材料采用P.O42.5 硅酸鹽水泥，添加劑選取波美度為37 的液體水玻璃。水泥漿的水灰質量比為1∶1；水泥漿和水玻璃的體積比為1∶（0.25～0.5）。

3 圍巖控制效果

為了檢測優化后的支護方案對圍巖的實際控制效果，通過在掘進工作面布置位移觀測點的方式，對巷道掘進后的頂板、兩幫和底板變形量進行實時監測，巷道圍巖變形情況如下頁圖3 所示。

1）隨著掘進工作面和測點距離的增加，巷道變形量逐漸增加，掘進30 m 后變形量逐漸穩定。穩定后的頂板、兩幫和底板變形量分別為20 mm、71 mm 以及21 mm。

2）根據下頁圖3 測得數據不難發現，采用優化后的支護方案，巷道變形量得到有效控制，相較于現有支護方案，圍巖變形量下降超過80%，由此可見該支護方案支護效果較好。

圖3 巷道圍巖變形情況

4 結語

以晉能控股煤業集團某礦掘進巷道為研究對象，針對巷道現有支護方案存在的變形量較大等問題，提出了一種注漿錨索的支護方案，降低了圍巖的變形量。通過觀測點的設置對于優化后的支護方案支護效果進行檢驗，根據監測結果不難發現，巷道圍巖變形量顯著下降。相較于原有支護方案圍巖變形量降低了80%以上，由此可見優化后的支護方案實際支護效果較好。