復雜地質條件下大斷面煤巷支護技術研究

李慧鵬

（潞安礦業集團煤礦管理中心，山西 長治046204）

潞安集團常村煤礦井田含煤地層為下二迭系山西組及上石炭系太原組，含煤地層總厚163.36m，含煤10～17層，煤層總厚11.25m，含煤系數為6.9%。本區地質構造以褶曲為主，地層走向近南北，向西傾斜，傾角3°～6°。東部以單斜為主，伴有近東西向波狀起伏；西部為近南北向褶曲。該礦煤礦開拓方式為立井多水平盤區式開拓，分2個水平開采。現有S5－5、N3－2、N1－2三個放頂煤綜采工作面。煤層頂底板情況為：直接頂為細砂巖、粉砂巖或泥巖，平均厚度5.35m；老頂為細砂巖或中細粒砂巖，平均厚度5.98m；直接底為細砂巖或泥巖，平均厚度5.03m。巷道開挖后，受動壓及地質構造應力影響，巷道呈局域性破壞，頂板嚴重下沉、兩幫內鼓，底鼓嚴重。巷道未掘完成因變形嚴重多次停掘巷修，嚴重影響礦井通風、安全生產。因此，研究適應該礦大斷面煤巷支護的技術方案和設計參數，采用安全經濟、可行的支護方式對大斷面煤巷圍巖變形進行有效控制，成為該礦實現安全高產高效的先決條件之一。

1 原巷道支護參數及存在的問題分析

S5－5工作面膠帶運輸巷沿煤層底板布置，頂板留有4.5m煤皮，屬于復合頂板。巷道為梯形斷面。原設計方案采用全斷面錨網（索）架梯形工字鋼單棚、空幫預留變形聯合支護。即頂部采用Φ22mm×2250mm高強度螺紋鋼錨桿，加打Φ17.8mm×8000mm錨索加固；幫部采用Φ18mm×2000mm鋼筋錨桿；頂、幫鋪菱形金屬網（規格：4mm×1.68m）。錨網后支架梯形工字鋼單棚，棚距400mm。

該工作面膠帶運輸巷采用原支護方案時，錨桿支護失效，托板脫落，支護效果較差，出現冒頂、頂板破碎下沉、底兩幫移近等情況，巷道局部破壞變形嚴重，經對原支護現狀進行分析，主要是由以下兩個方面原因造成的。

1.1 圍巖結構特征

①3＃煤層上浮巖層中存在巨厚礫巖層，為脆性巖石，在采區大面積開采后，易發生脆性斷裂，其延伸長度大，整體性減小，造成采區壓力大；②3＃煤層底板為炭質泥巖和泥巖，遇水易膨脹，導致巷道底鼓嚴重。

1.2 地質構造導致巷道失穩破壞

① 在該工作面掘進中，揭露6條F3的次生斷層，上巷950m處發現存在撓曲構造，受構造殘余應力影響，工作面壓力增大；②3＃煤頂板不穩定，厚薄變化大，且巖性為泥巖，其間常夾薄煤層或煤線，整體性差，易造成巷道冒頂。

2 新支護方案設計

針對上述復雜圍巖條件下巷道難以支護的現狀，通過對已施工巷道的現場調研分析，確定將巷道斷面設計為半圓拱形斷面，斷面凈寬6.8m，凈高4.5m，斷面積23.5 m2，為適應巷道地質構造及圍巖位移的差異，改善巷道圍巖狀態，巷道支護采用錨網索＋36U型鋼棚聯合支護形式，為適應巷道圍巖變形大的特點，錨桿和錨索托盤上加設木托盤，以便使錨桿和錨索適應圍巖的變形，防止錨桿錨索拉斷。

全斷面錨網（索）、架36U－5.6m拱型可縮性支架、空幫預留變形聯合支護。頂、幫鋪菱形金屬網，拱頂打Φ22 mm×2500mm鋼筋錨桿，間排距800mm×800mm，加打Φ17.8mm×8000mm錨索加固，間排距1500mm×1500 mm，錨索打設位置為距兩幫600mm處各布置一根，拱頂中間布置一根，兩幫各打Φ18mm×2500mm鋼筋錨桿，間排距800mm×800mm，下幫加打Φ17.8mm×6000mm錨索加固，底角錨桿與幫成75°夾角向底板下扎，其余錨桿垂直巷道輪廓線布置；36U型棚支護由三部分組成，腿長4788mm（弧長），梁長 4636mm（弧長）；梁、腿搭接500 mm，誤差范圍±100mm，棚距由900mm，頂板及兩幫讓壓300～500mm。

在斷層構造帶掘進，縮小控頂距，頂錨桿由Φ22mm×2500mm改為Φ22mm×3000mm，幫錨桿由Φ18mm×2000mm改為Φ22mm×2500mm，錨桿間排距由800mm×800mm調為600mm×600mm，棚距由900mm調為700mm（見圖1）。

圖1 新支護工藝斷面示意

圖2 反底拱安裝示意

由于S5－5工作面膠帶運輸巷受周圍采動影響，巷道已出現嚴重的底鼓現象，為保證巷道的正常使用。采用底部鋪鐵絲網、打底錨桿、可縮性反底拱配合兩道工字鋼聯鎖對該段底鼓巷道進行壓力治理。反底拱安裝示意見圖2。底部鋪鐵絲網時要求網與網的搭接長度不小于100 mm，然后在鐵絲網的搭接處及兩網之間打上地錨桿，最后可根據巷道實際下寬調整反底拱的搭接長度，并在托盤與U型鋼梁搭接處焊接限位裝置（U型鋼短節），以防止巷道受側壓時柱腿內移，同時保證巷道的整體穩固性。通過鋪鐵絲網、打地錨桿，安裝可縮性反底拱并配合兩道工字鋼聯鎖對該段底鼓巷道進行壓力治理后，對控制巷道底鼓起到了顯著的效果。

3 支護效果分析

為判斷巷道支護設計是否合理，檢驗巷道的支護效果，對巷道斷面相對位移與巷道底鼓位移進行觀側。在針對巷道斷面相對位移進行檢測時，布置3個測量斷面，采用雙“十字交叉布置測點；巷道底鼓位移觀側時，在各測量斷面上，巷道底板布置2個測點，采用經緯儀從井底車場附近的穩定測量點，導線測量獲得各被測測點的底板隆起的絕對位移值，經分析統計數據生成頂底板相對位移量及巷道底鼓位移變化情況（見圖3）。

由圖3可知：（1）巷道斷面相對位移主要發生在巷道開挖后1～15天之內，以后逐漸趨于穩定；巷道兩幫相對位移（88mm）大于頂底相對位移（80mm）；（2）巷道底鼓變形主要發生在巷道開挖后1～11天以內，以后趨于穩定，巷道底鼓較小，只有35mm左右，這說明圍巖松幫卸壓及采用反底拱支護對巷道底鼓破壞的控制起到了顯著的效果。由此表明：大斷面煤巷采用全斷面錨網（索）、架36U－5.6m拱型可縮性支架、空幫預留變形聯合支護是可行的，為礦井通風、運輸、行人、防沖工作提供了有利條件，降低了不安全隱患的產生幾率，為杜絕事故發生打下了安全基礎。