礦井巷道差異化支護研究及應用

摘 要：通過對巷道支護圍巖特征及受力情況分析，對百善煤礦巷道支護在理論研究下結合礦巷道實際壓力及服務年限進行差異化支護，支護期間進行了密切的跟蹤和觀察，取得了良好的效果，也減少了部分材料，達到了技術經濟一體化的效果。

關鍵詞：巷道；差異化；支護

前言

我國煤礦主要是地下開采，需要在井下開掘大量巷道，保持巷道暢通和圍巖穩定對煤礦建設與生產具有重要意義。巷道根據服務性質不同，使用年限也不一致，各個區域巷道受地質條件、采區條件、回采因素等影響，圍巖壓力也不一致。為了保證礦井巷道正常使用、減少修護量、消除浪費、降本增效，根據巷道實際用途和地質條件進行差異化支護，確保礦井的高產高效。

百善煤礦隸屬于皖北煤電集團，進過三十多年的高強度開采，礦井處于開采后期，目前主要回收采區煤柱及地質條件復雜的構造煤柱和風氧化帶內的表外儲量。這些區域地質情況越來越復雜多變，地質條件惡化、地應力增大、破碎巖體增多、使得巷道近場圍巖有效應力增大，致使圍巖應力超過其強度，發生破壞失穩。巷道的施工對圍巖造成了一定的附加應力，增加了圍巖的控制和支護難度，對特殊區域的巷道進行研究，選取合理的支護方式，對煤礦生產的安全至關重要，也對提高煤炭企業經濟效益有著重要影響。

1 圍巖特征分析

1.1 頂壓分析

巷道掘進后因上面巖石層的重力和本身巖石層重力作用產生彎曲，由于巖石抵抗拉力的能力很小，所以頂板很容易發生破碎和冒落。最后形成了一個拱形，根據拱形理論，自然平衡拱的高度、形狀與頂板巖性、巷道寬度有如下關系：

QD=B2？姿/（1.2f）

式中QD為每m巷道支架所承受的頂壓，t/m；B為表示巷道寬度，m；f為巖石的堅固性系數（普質系數）。

根據以上公式，當巷道遇到斷層破碎帶及巖石風化區域，巷道兩幫頂板及巖石抗壓性很差，受壓后產生片幫或破碎不能支撐頂板壓力，巷道寬度及高度均會增大，作用在支架上的頂壓就大。所以巷道支護考慮足夠的支撐力去承受頂板自然平衡拱內巖石自重量的壓力和維護破碎的頂板不發生冒頂的壓力。

1.2 側壓分析

側壓是指巷道兩幫對支架的壓力，它是由于兩幫煤（巖）及頂板失去平衡，對支護材料兩幫內擠壓而產生的。根據巷道距采空區的遠近分為三個區域，一是為采空區支撐壓力的區域，該區域掘進及開拓壓力很大，為增壓帶，第二是距采空區較遠，采空區壓力對該巷道無影響，該區域叫常壓帶。第三是位于采空區邊緣，沿空掘進區域，為減壓帶，壓力最小。

巷道側壓可參照如下簡化公式進行計算

Qe=0.25？姿[B1/（2f）+H]

式中Qe為巷道兩幫最大側壓力，B1巷道破碎寬度（B1=B+λ0.5H），B為表示巷道寬度，H為表示巷道高度，f為巖石堅固性系數，λ為側壓力系數（λ根據巷道完整、穩定取0.13～0.22）

根據以上公式，當巷道遇到斷層破碎帶及巖石風化區域，巷道兩幫頂板及巖石抗壓性很差，巷道破碎寬度也增寬，其最大側壓力將明顯比完整頂板大，巷道側壓將成為支護的一個難點和重點。

2 控制對策

根據以上理論計算每段巷道實際頂板及側壓，結合百善煤礦實際情況，根據巷道用途及地質條件情況選擇支護方式，提出了巷道支護“服務年限差異化、斷面地段差異化、層位巖性差異化、頂底兩幫差異化、特殊區域差異化”。

2.1 錨桿支護

2.1.1 技術標準

對于服務年限較長的采區巷道及變電所回風巷均采用錨桿支護最大限度地節約每一根錨索、每一根錨桿，針對煤、巖巷道的各自特點，不同巷道地段支護強度的不同需求，采用動態設計法，及時、動態地修護支護參數，既滿足了不同支護強度的需要，又節省了支護材料。

在我礦以前錨噴巷道均采用錨桿+鋼筋網+錨索聯合支護，然后進行噴漿，噴漿厚度不小于50mm。現在根據巷道實際用途，將采區服務年限較長的采區巷道及回風巷道使用錨噴，各巷道各區域根據實際情況，根據圍巖巖性特征及破碎情況進行科學分析，將頂板較完整區域進行錨桿單獨支護，取消以前的聯合支護。支護設計也進行修改，規格為（圖1）：2600×2500mm（寬×高）頂部5根Φ16×2000mm長螺紋鋼錨桿，間排距1000×1000mm、每眼2卷K2330型樹脂藥卷，頂板較差時鋪設金屬網和錨梁加強護頂（錨桿間排距1000×900mm），網與網之間順茬搭接，壓茬不小于100mm，壓茬處每隔200mm用雙股14#鐵絲扎緊；兩幫各1根Φ16×2000mm端頭拍扁的金屬錨桿，間排距800×1000mm，每根錨桿用2卷MS-3型水泥錨固劑。螺紋鋼錨桿：Φ16、L=2000mm。鐵蓋板：長×寬×厚=140mm×140mm×10mm變電所回風巷噴漿水泥為425#普通硅鹽水泥，黃砂為中粗砂，配合比1：2.5，噴厚50mm。

圖1 錨噴支護斷面圖

圖2 錨噴巷道圍巖變形量圖

2.1.2 實施效果

對于優化支護方式的巷道，為了掌握其支護效果及變化規律，判斷巷道穩定性，在頂板破碎帶及完整頂板區域設置巖石位移量觀察點，三天對巷道進行一次表面位移觀測，巷道圍巖收斂量如圖2所示。圖中Y1、F1為巖石破碎帶區域，Y2、F2為頂板比較完整區域，根據變形圖可以看出，巖石破碎帶頂板及兩幫壓力較大，雖然改進了支護方式，縮小了錨桿間排距，但圍巖變形量明顯大于完整頂板，是以后長時間觀察控制的重點。根據長時間數據，圍巖整體承載能力還是比較穩定，巷道的破壞程度明顯降低，基本處于穩定狀態，控制效果理想，達到了巷道差異化支護的安全效果。

2.2 架棚支護

2.2.1 架棚方式

工作面回采用的機、風巷道，依據技術上安全可行，能較好控制頂板，確保巷道的穩定，滿足通風、行人、運輸的要求，經濟上合理，便于提高掘進速度同時減少材料消耗的原則，均采用礦用11#工字鋼架梯形斷面，規格為（圖3）：2400mm×2400mm×2400mm（梁×腿×腿）、底扎3050mm，高2000mm，棚距650mm（壓力較大時棚距縮小為350mm，底扎放大150～300mm），用塘材棍、編織網腰幫過頂，塘材棍頂7對（350mm棚距時用7根）、兩幫各7根；頂部鋪單層笆片；頂、幫使用單層編織網，編織網壓茬不小于100mm，間隔200mm用16#鐵絲連好；如果壓力過大，為增加支護強度，減少巷道維護工作量，將巷道支護工字鋼梯形套棚改為工字鋼梯形對子棚。

2.2.2 實施效果

為了驗證實施效果，以便根據實際情況及時更改設計參數，在對子棚、密集棚、正常架棚區域選擇多個觀察點進行巷道變形量觀察（圖4），根據數據可以看出，我礦短期用于回采的臨時巷道用11#工字鋼架梯形架棚能夠確保安全，頂板破碎區域及風化區域根據壓力情況及時更改設計參數，縮小棚距及使用對子棚能夠有效的控制壓力的變化量。

架棚頂板變化量明顯小于兩幫變化量，說明金屬棚對頂板的支護能力較強，兩幫由于壓力較大，受力不均導致變化量較大。特別是在頂板及煤層風化區域和斷層破碎帶區域，雖然均采用了對子棚和密集棚進行有效的支護，但由于軟弱巖石無抗壓性，優化了架棚方式但變形量比完整頂板巷道變化量大。

3 結束語

（1）煤礦巷道支護方式很多，巷道差異化支護的優化重點就是根據現場實際情況確定支護方式。地質條件是制約巷道支護方式的主要原因，差異化支護必須對巖性不同區域、構造區域、風化區域、破碎區域、采空區區域進行分段進行研究、分析，根據壓力顯現情況及時優化支護方式。

（2）工字鋼架梯形棚支護抗壓性比錨噴效果差，但對于回采巷道，服務年限不長的巷道可以用架棚支護，利于巷道可以快速掘進和減少材料耗材，回收利用率高等特點，能夠體現出巷道差異化支護的優點。

作者簡介：劉衛華（1962-），男，高級工程師，畢業于淮北煤炭學校采礦工程專業，現任皖北煤電有限責任集團公司百善煤礦礦長，長期從事煤炭生產技術管理工作。