復雜地質條件下巷道圍巖控制技術探討

崔中明

（山西焦煤西山煤電<集團>有限責任公司，山西太原030082）

復雜地質條件下巷道圍巖控制技術探討

崔中明*

（山西焦煤西山煤電<集團>有限責任公司，山西太原030082）

保證復雜地質條件下的巷道穩定性是礦山圍巖控制的難點，總結發現復雜地質條件下巷道圍巖變形有初期來壓快、變形大，易發生冒頂、片幫、底鼓等現象，給出了復雜地質條件下巷道支護的一般對策。以西山煤電下屬某煤礦復雜地質條件下巷道為例，分析了其變性破壞的原因，并給出了針對性的支護優化措施，取得了良好的支護效果，對類似礦井巷道支護設計具有借鑒意義。

巷道支護；復雜地質條件；支護優化

我國煤炭資源分布廣泛，北起黑龍江、內蒙,南到廣東、廣西,東起山東、浙江,西到新疆、青海的廣大遼闊的幅員內均有分布。其中有復雜地質條件的礦井遍布全國各主要產煤省區，且隨著老礦井采深的增加，復雜地質條件煤礦的數量和分布范圍將會繼續增加和擴大。由此引發的復雜圍巖條件下巷道的支護問題日益突出，也是近年來巷道支護中問題的難點。

康紅普[1]將復雜地質條件圍巖分為低強度軟巖、膨脹性軟巖、高地應力軟巖、節理化軟巖、復合型軟巖5大類型。認為復雜地質條件下巷道圍巖變形量大，有明顯的時間效應，表現為四周來壓，且對環境變化比較敏感。柏建彪等[2]研究認為深部巷道圍巖控制的基本方法是提高圍巖強度、轉移圍巖高應力以及采用合理的支護技術。劉全林[3]等建立了錨注支護計算的力學模型，分析了錨注支護對具有流變特性圍巖在維護其穩定性方面的作用，表明錨注支護對維護破碎圍巖的穩定具有顯著效果。尹光志[4]等通過現場多種支護方式試驗對比與測試表明“錨梁網+拱形支架”聯合支護是一種有效的、適合高應力軟巖下的巷道支護方式。

由以上分析可見，復雜地質條件下的巷道圍巖變形機理千差萬別，一般是一種或多種類型的組合，但都表現為巷道圍巖初期來壓快、變形大，極易發生冒頂、片幫等破壞現象，并伴隨有強烈底鼓。其支護方法往往具有某些共性，掌握并在現場施工中遵循這些基本原理和方法，才能保證復雜地質條件下巷道的支護效果。

1 復雜地質條件圍巖支護對策

對由于地應力、動壓、地質構造、成巖作用及巖體成分等因素影響復雜困難巷道，應從以下幾個方面改進巷道支護設計。

（1）以深入認識巷道地壓顯現規律為前提。巷道支護荷載的復雜變化表現為巷道地壓顯現，尤其對于復雜地質條件下巷道，其圍巖變形破壞對地壓顯現十分敏感。巷道支護設計中應首先正確掌握巷道地壓顯現規律，所以說深入認識巷道的地壓顯現規律是解決此類巷道支護的前提。

（2）以認清巷道圍巖變形破壞機理為基礎。復雜地質條件下巷道圍巖變形破壞可能受圍巖強度低、遇水膨脹、高地應力等多種因素影響。找到引起巷道圍巖變形破壞的主要控制性因素，能有效避免巷道支護設計的盲目性，從而正確認識巷道圍巖結構特征及其變形破壞機理，這是有效進行巷道圍巖控制的基礎。

（3）以開發針對性的支護設計方法為手段。煤礦井下掘進巷道所面臨的地質環境千差萬別，常規的支護設計方法及其施工工藝沒有考慮巷道的特殊條件，往往造成支護效果不佳。因此在掌握巷道地壓顯現規律和圍巖變形破壞機理的基礎上，考慮該煤礦的特有的地質和生產技術條件，開發具有針對性的支護設計方法，是解決此類巷道支護的唯一手段。

（4）以形成動態設計方法為目的。巷道的支護方案往往是在巷道還未施工時，根據有限的地質資料即設計完成，其適用性不得而知。煤礦井下巷道掘進過程中，其地質條件在不斷變化，并且受到各類采動應力的影響，但其支護方案往往不能根據地質條件的變化及時更改，這些因素都會影響巷道的支護效果。

動態設計方法是指先根據現有的地質條件進行巷道支護初步設計，在施工過程中布置監控測試系統，從礦井巷道的開挖及支護過程中獲得圍巖穩定性及支護設施的工作狀態信息，通過分析研究這些信息可以間接地描述圍巖的穩定性和支護作用，反饋于施工決策和支持系統，修正和確定新的開挖方案的支護參數。這個過程隨每次掘進開挖和支護的循環進行一次，以及時改正巷道支護參數中的不妥之處，保證支護方案的適用性。

2 礦井概況

西山煤電主要開采西山、河東、霍西3大煤田的煤炭資源，煤田面積789km2，資源總量92.1×108t。試驗礦井盤區內煤系地層太原組—山西組地層總厚163.6m，盤區內含煤系數6.55%,太原組沉積環境為海陸交互相，由灰黑色泥巖、深灰色砂質泥巖、灰色粉砂巖、灰色細砂巖、灰色中砂巖、灰白色粗砂巖、深灰色石灰巖、煤層組成。8#、9#煤層穩定，盤區內主要的全區可采煤層。8#煤厚平均為3.28m。9#煤厚平均3.59m。

試驗巷道位于北翼下組總回風巷附近9#煤層，該區域基本為一北東高南西低的單斜構造及次一級褶皺構造，陷落柱發育。9#煤層厚度4.08m左右，煤層堅固性系數f≈0.7～1.0，老頂為灰色石灰巖，厚度約7.19m，較硬，灰色石灰巖,團塊狀,中部夾薄層黑色泥巖；直接底為深灰色頁巖，厚度約2.45m，老底為深灰色細砂巖。

該礦采區巷道沿煤層底板掘進，巷道所處地質條件復雜，支護難度大，支護后巷道圍巖破壞嚴重，一般需多次返修。

3 巷道礦壓顯現規律

該礦綜采工作面在巷道初期施工中，使用?20mm×2500mm左旋螺紋鋼樹脂錨桿，?15.24mm× 7300mm鋼絞線錨索，“T100”型鋼帶支護。巷道掘進過程中，伴隨著綜掘機的前進，巷道頂部與邊幫頻繁出現煤爆聲，頂板附近的煤壁肉眼觀察可見片狀煤塊掉落，煤壁片幫明顯，成大塊條狀掉落，巷道斷面難成型，個別發生錨索斷裂的現象。此外巷道底鼓嚴重，隨掘隨鼓，一般底鼓量為800～1000mm，巷道掘進施工完成后，必須專門進行二次起底，才能保證巷道高度，滿足使用要求，回采期間工作面順槽變形嚴重，巷道兩幫收斂達1.5～2.0m，頂底板收斂變形達2.0～2.5m。

其中工作面回風順槽施工至500m處發生頂板冒落，長度23m，高度7.5m。現場勘察發現：冒落段有裂隙，煤層直接頂板泥巖厚度達4.5m，滑面發育，鋼絞線錨索有個別斷裂，其他錨索錨固段正常。工作面運輸順槽420～450m段，巷道頂板下沉達200mm左右，多處錨索、鋼帶斷裂，鋼托梁變形。

4 巷道支護動態設計方案

由以上分析可知，巷道所處地質條件復雜，巷道圍巖破壞主要原因為埋深大、地應力高、節理裂隙和滑面等結構面發育，底板巖層含有一定的粘土礦物和有機質，遇水膨脹，強度迅速降低。根據其巷道圍巖變形破壞特點，巷道支護應做到以下幾點：

（1）加強臨時支護。應用交錯式掘進超前支護裝置，加強掘進臨時支護，提高臨時支護強度，防止頂板離層。

（2）嚴格控制控頂距離，及時支護。永久支護緊跟工作面迎頭，減少空頂時間，防止頂板離層下沉，減少巷道片幫。

（3）加強支護質量管理。錨桿、錨索安裝質量要符合要求，特別是錨桿預緊力、錨桿抗拉拔力、錨索預緊力等必須一次到位，并隨時檢查，發現松動應及時二次上緊，杜絕錨桿、錨索失效，確保支護強度。

根據現場施工反饋，在巷道支護參數方面做了如下調整：

（1）提高錨索等級，錨索直徑由?15.24mm、?17.8mm提高到?21.8mm；錨索長度由7.3m提高到8.3m。

（2）提高錨索布置密度，由1600mm×1600mm，優化調整為800mm×1600mm。

（3）提高“T”型鋼帶等級，由“T100”型提高到“T140”型。

(4)巷幫由原來的單個錨桿支護，優化調整為錨桿鋼帶支護，采用“T”鋼帶將巷幫錨桿鉸接成整體，提高巷幫支護的強度。

(5)應用瑞米加固Ⅰ號固化頂板，瑞米加固I號屬雙組分有機復合樹脂材料，雙組分注漿樹脂混合注入破碎煤、巖體后能迅速反應并凝固，生成高強度、高韌性的樹脂材料，實現對破碎煤、巖體的加固及對其裂隙的封堵和阻燃。

在此基礎上，在工作面設計時，研究選擇適當的巷間區段煤柱，盡量將巷道布置在降壓區內，使工作面巷道所承受的載荷較小，減小采動壓力的影響。

在巷道采用底角錨桿爆破注漿技術，輔以底板卸壓槽，加強巷道底鼓治理，減少底鼓對巷道圍巖整體性的破壞，并采用C30混凝土配合鋼筋澆注反底拱。

此外，加強對巷道頂底板移近量、兩幫收斂量、離層發育情況、錨桿（索）荷載等礦壓顯現參數監測，掌握巷道圍巖變形破壞特征，預測可能發生的巷道事故，隨時采取一定的加強支護措施，并將支護效果反饋給支護設計，及時更改原設計中的不足之處。

采取以上支護措施之后，工作面順槽巷道頂底板移近量有了明顯的減少，最大頂底板移近量為不到200mm，未發生冒頂、片幫事故，巷道頂板未發生明顯離層、下垂及網兜現象，基本不再需要返修。及時施加臨時支撐后，巷道在工作面采動壓力影響下未見明顯破壞，保證了工作面安全、順利生產。

5 結論

（1）總結發現復雜地質條件下巷道圍巖變形破壞規律有初期來壓快、變形大，極易發生冒頂、片幫等破壞現象，并伴隨有強烈底鼓等共同特點。

（2）分析認為復雜地質條件下巷道支護對策應做到：從深入認識巷道地壓顯現規律，加強巷道圍巖變形破壞機理的認識，開發具有針對性的支護設計方法，形成動態信息化設計方法。

（3）通過工程實例分析認為巷道圍巖破壞主要原因為埋深大、地應力高、節理裂隙和滑面等結構面發育，底板巖層含有一定的粘土礦物和有機質，遇水膨脹，強度迅速降低。并給出了相關的支護優化措施，取得了較好的支護效果。

[1]康紅普.復雜地質條件巷道支護技術現狀與發展趨勢[C]//中國科協2004年學術年會第16分會場論文集，中國煤炭學會,2004:319-326.

[2]柏建彪,侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應用研究[J].中國礦業大學學報,2006(2):145-148.

[3]劉全林,楊敏.軟弱圍巖巷道錨注支護機理及其變形分析[J].巖石力學與工程學報,2002(8):1158-1161.

[4]尹光志,王登科,張東明.高應力軟巖下礦井巷道支護[J].重慶大學學報：自然科學版,2007(10):87-91.

TD32

A

1004-5716(2015)01-0179-03

2014-06-24

崔中明（1968-），男（漢族），山西昔陽人，工程師，現從事煤礦機電設備技術管理工作。