深井大巷破壞機理及支護技術研究

黃少華

(山西新景煤業有限責任公司,山西 陽泉 045000)

深井大巷破壞機理及支護技術研究

黃少華

(山西新景煤業有限責任公司,山西 陽泉 045000)

在北翼回風大巷采用非對稱布置加長錨桿與錨索分2次支護這一技術措施，第1次通過錨桿進行支護，第2次支護采用錨索與W型鋼帶聯合支護。通過現場施工、監測，巷道的圍巖變形量控制在了安全范圍以內，證明了所提出的支護方案科學合理。關鍵詞： 非對稱，聯合支護，圍巖變形

根據長期煤炭開采實踐經驗得知，深部煤層其巷道面臨圍巖變形量比較大、支護困難等一系列開采難題；淺部煤層圍巖絕大多數處在彈塑性狀態，深部圍巖則可能處于塑性甚至破壞狀態。隨著礦井開采水平的不斷延伸，一系列開采難題逐漸顯露出來，在掘進開拓過程中可能遇到工程災害，如突水事故、巷道變形嚴重等。因此，深部圍巖大巷支護方案的選擇將會影響整個礦井的正常安全生產[1-2]。

1 工程地質情況

北翼回風大巷是七元礦井下回風的主要通道，掘進中線高程是+400 m。在巷道掘進過程中，會穿過平均落差在7.9 m的斷層，斷層位置基本處于巷道掘進長度的中心處，在15#煤層后沿煤層頂板布置。根據鉆孔綜合柱狀圖顯示，15#煤層上覆巖層分別為平均厚度近1.15 m的K2石灰巖和平均厚度達8.6 m厚軟弱泥巖，15#煤層厚度在4.19 m～5.11 m范圍內，平均厚度為4.37 m，根據試驗測得的硬度系數f為2～3，傾角大約在5°，為近水平煤層。

2 巷道變形破壞原因分析

通過對七元煤礦北翼回風大巷所處的地質賦存特征和早期掘進過程中采用的U型鋼結構支護形式存在的諸多問題進行分析研究，得出造成巷道斷面發生較大移近量變形的若干關鍵因素。具體如下：

1) 地質構造(斷層、褶曲和陷落柱)對巷道變形破壞的作用。通過地質勘探報告及施工工作面探明巖性特征分析得知，由于該范圍內斷層和褶曲等地質構造的作用，巷道周圍巖體，特別是上覆頂板巖層和左右兩側幫圍巖，在集中地應力作用下表現出破碎嚴重、節理異常的現象；而且，由于結構弱面的影響，造成巖層沿弱面滑動的趨勢較大。以上情況造成北翼回風大巷斷面在掘進試用階段產生較大的偏移量，在不到1個月的時間里，其頂底板及左右兩側幫的移近量已經接近498 mm、586 mm。較大的圍巖變形使得巷道的支護變得異常艱難，前方掘進，而后方不斷返修，甚至部分地段圍巖破碎冒頂事故頻發，嚴重阻礙了煤礦的安全高效生產。

2) 頂板巖層自重應力較大。根據施工方案的相關技術標準，此北翼回風大巷的水平標高為+400 m，意味著其掘進的深度距離地表達到700 m，屬于深部煤礦開采，其最明顯的特征就是垂直應力較大；同時，根據靜水壓力理論，圍巖水平應力更高，所以，此時巷道處于高應力作用區域，極易引起左右兩側幫和上下頂底板的變形。倘使采用的支護方案不合理，必然會使得巷道失去使用功能。

3) 大巷周圍巖體強度較弱。根據前述巖石試件物理力學試驗測定結果可以得知，回風大巷周圍巖體，特別是頂板巖層的強度較低，所以在受到高應力作用下，其周圍產生的松散破碎區(即松動圈)范圍會十分巨大，破碎松散的圍巖會對支護效果產生很大的影響。巷道使用前期采用的U型鋼支護形式強度較大，支護結構與巷道圍巖之間無法形成均勻的受力接觸，從而使得兩者之間夾雜不同規則的縫隙，相互作用關系不緊密，支架結構在支護初期無法發揮作用，僅僅靠周圍巖體中打設的錨桿維護斷面形狀很難阻止松散破碎帶的擴展。

3 巷道支護設計[3-4]

支護方式最終確定為“長錨桿頂錨索不對稱聯合支護”。

3.1 一次支護設計采用錨桿支護方式

1)錨桿及錨固劑。錨桿采用Φ22×3 000 mm型，巷道下幫肩部錨桿矩形布置間排距為650 mm×750 mm，巷道上幫肩部錨桿矩形布置間排距為750 mm×750 mm，巷道兩幫錨桿矩形布置間排距750 mm×750 mm。其中，接近底板下幫錨桿下扎45°，上幫錨桿下扎30°。錨桿外露長度50 mm，每根錨桿配2卷中速Z2350樹脂錨固劑加長錨固，托盤采用150 mm×150 mm的正方形8 mm厚鋼板壓制成弧形，錨桿均采用配套標準螺母緊固，每根錨桿錨固力不小于12 t。加大錨桿預緊力起到主動支護的效果，預緊力應達到3 t～5 t。

2)網片設計采用鋼絲網，網要壓茬連接，搭接不小于100 mm，相鄰兩塊網片之間用10號鐵絲相連接，連接點布置均勻，間距200 mm。

3)噴射混凝土采用普通硅酸鹽水泥，砂為純凈的中砂，石子顆粒直徑為5 mm～10 mm。噴射混凝土設計抗壓強度為C20，配合比為m(水泥)∶m(砂)∶m(石子)=1∶2∶2。速凝劑型號為J85型，摻入量為水泥重量的2.0%～3.5%，噴射厚度為150 mm。

3.2 二次支護方式

二次支護采用“錨索+W型鋼帶”加強支護，必要時增加桁架支護。

錨索參數：Φ17.88 mm×6 300 mm錨索(鋼鉸線)，錨固長度1 500 mm，錨固力應達到300 kN。

布置方式：錨索滯后迎面20 m全斷面打錨索，間排距1 500 mm×1 500 mm。

桁架暫考慮用“W”鋼帶，沿巷道縱向布置。

此開拓巷道錨桿錨索支護示意圖如圖1所示。

圖1 錨桿錨索支護示意圖

4 礦業觀測

1) 頂板離層情況

巷道開挖后要對巷道頂板的離層情況進行監測，該礦選用尤洛卡公司生產的頂板離層指示儀，該儀器有2個深部和1個淺部共計3個基點，因此可以監測錨桿錨固范圍和錨桿錨固范圍外頂板的離層情況。對開挖的巷道離層情況實施監測，可以隨時知道巷道頂板的相關情況，以確保巷道的絕對安全。開拓巷道為全巖巷道，工作面采用炮掘方式。為了防止放炮后崩落的飛石損傷儀器，離層儀的安裝要離掘進工作面15 m，共安裝了1號和2號2個頂板離層儀，對頂板離層儀的監測數據每天收集1次。1號和2號頂板離層儀安裝好后，對2個頂板離層儀進行1個月的監測，定期從儀器采集儀里收集數據，將獲得的數據繪圖整理，如第122頁圖2所示。

由圖2可知，淺部的2.5 m處的基點是在錨桿錨固范圍，而6 m和4 m處的深部基點是在錨索的錨固范圍，1號淺部基點最終出現7 mm的變形，2號淺部基點最終出現12 mm的變形。淺部變形基本處于7 mm～12 mm，說明在錨桿錨固范圍內巷道頂板出現了少量的離層；2個深部基點變形趨勢及變形量基本保持一致，說明巷道頂板處于錨桿和錨索錨固范圍內的巖層并未出現明顯的離層現象。從整體效果來看，錨桿(索)配合高強度鋼筋網加噴射混凝土支護方式能夠有效控制巷道周邊圍巖的變形，巷道整體維護良好[5]。

2) 錨索應力測量

錨桿應力的監測可以采用FCH2G/1礦用本安型手持采集器。當被測錨桿內部發生應力變化時，錨桿應力計同時受到拉伸或者壓縮，應力傳感器可以收集到錨桿應力的變化情況，此時產生一個電信號，通過變送器將電信號轉化為壓力數值，從而可以知道錨桿體內的受力情況。錨索應力數據分析曲線如圖3所示。

圖2 頂板離層儀變形曲線圖

5 結論

1) 通過對巷道頂板離層情況的監測，錨桿錨固范圍內巷道頂板出現了少量的離層。2個深部基點變形趨勢及變形量基本保持一致，說明巷道頂板處于錨桿和錨索錨固范圍內的巖層并未出現明顯的離層現象。從整體效果來看，錨桿(索)配合高強度鋼筋網加噴射混凝土支護方式能夠有效控制巷道周邊圍巖的變形，巷道整體維護良好。通過對錨桿(索)受力狀態的監測，錨桿及錨索支護很好地維護了巷道的變形，圍巖變形量始終處于可控狀態。頂部錨索拉應力大于頂部錨桿，說明錨索承載能力更強。頂部錨桿拉應力大于左右兩肩部的應力，說明頂板相比兩幫圍巖的變形更加強烈，更需要加強支護。

2) 在利用改進技術措施之后，巷道每掘進1 m可以減少成本約6 061元，通過現場分析200 m的利用改進技術措施之后的巷道，該段節約成本約121萬元。原設計該段回風大巷總長870 m，在采取改進支護結構以及巷道規格等技術措施之后可以節約最少528萬元的成本。可見，此次研究方案擁有相當顯著的經濟效益。

圖3 應力數據分析曲線

[1] 賈后省,朱乾坤,趙希棟.深井巷道圍巖分次控制原理與強力支護技術[J].煤炭科學技術,2015，43(10):29-33.

[2] 肖福坤,孫豁然.深井巷道圍巖穩定性分析[J].中國礦業,2008，17(5):97-99.

[3] 馮林楊,邢德恩,馬洼.深井巷道支護技術應用研究[J].山東煤炭科技,2012(2):119-120.

[4] 秦忠誠,王九利,張望寶,等.深井巷道圍巖支護參數的優化研究[J].煤炭技術,2016，35(7):5-7.

[5] 張興權.煤礦深井巷道圍巖變形監測與研究[J].水力采煤與管道運輸,2016(3):15-19.

Research on failure mechanism and supporting technology of roadway in deep mine

HUANG Shaohua

(Shanxi Xinjing Coal Industry Co., Ltd., Yangquan Shanxi 045000, China)

Technical measures of asymmetric arrangement with long bolt and anchor cable supporting are adopted in north wing with return air roadway, in which through the bolt supporting for the first time, and then by way of combined supporting of anchor cable together with W steel belt at the second time. Through the site construction, monitoring, roadway surrounding rock deformation control within the scope of security, it is proved that the supporting scheme is scientific and reasonable.

asymmetric; combined supporting; deformation of surrounding rock

2017-03-21

黃少華，男，1986年出生，2016年畢業于中國礦業大學，采煤助理工程師，現從事綜采采煤方面工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.42

TD82

A

1004-7050(2017)04-0120-03

煤礦工程