某礦41盤區運輸大巷支護方案優化

和科研

(山西焦煤霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦)

1　工程概況

1.1　巷道圍巖條件

某煤礦煤層埋深為704.5～824.4 m，煤層傾角為0～6°，埋深較大，一般埋深大于600 m，屬于深埋煤層。該礦采用立井開拓方式，41盤區之間設計有5條運輸大巷，即1#、2#輔助運輸大巷，1#、2#回風巷以及帶式運輸機大巷，大巷呈EW走向，平均長度為1 700 m。

井田內主要含水地層為白堊系下統洛河組砂巖孔隙-裂隙承壓含水層，厚度為290～310 m，該含水層段平均單位涌水量為0.239 L/(s·m)，平均滲透系數為0.354 6 m/d，屬富水性中等含水層。在井巷開拓過程中，巷道系統的直接充水含水層為侏羅系延安組煤系裂隙含水層(Ⅹ)以及直羅組砂巖裂隙含水層(Ⅸ)，充水方式為頂板進水型。

井田水文地質勘探類型以裂隙充水為主，水文地質條件屬簡單類型。在井巷開拓過程中，巷道系統的直接充水含水層為侏羅系延安組煤系裂隙含水層(Ⅹ)以及直羅組砂巖裂隙含水層(Ⅸ)，充水方式為頂板進水型。預測礦井先期開采地段礦井正常涌水量將達到408 m3/h，全井田礦井正常涌水量將達到1 168 m3/h。

根據礦區地質勘查資料，41盤區運輸大巷在掘進過程中將穿過多類巖層，帶式運輸大巷主要穿過的巖層為泥巖、粉砂巖、中粒砂巖、煤層、細粒砂巖、沙質泥巖、粗粒砂巖以及泥質砂巖(圖1)。

圖1　運輸大巷附近巖層巖性特征

1.2　原有支護方案存在問題

41盤區運輸大巷設計為半圓拱斷面，掘寬4 840 mm，掘高4 170 mm，混凝土底板厚150 mm，混泥土噴層厚120 mm。頂板錨桿規格為φ20 mm×2 200 mm，幫錨桿規格為φ20 mm×2 200 mm，間排距為800 mm×800 mm；錨索規格為φ17.8 mm×7 300 mm 鋼絞線，間排距為1 600 mm×2 400 mm；鋼筋網用φ6 mm Q235鋼筋焊接而成，網格尺寸為150 mm×150 mm，網幅規格為1 000 mm×2 000 mm。該巷道的支護斷面如圖2所示。

圖2　41盤區運輸大巷支護斷面示意(單位：mm)

經過對41盤區運輸大巷變形監測發現，已掘進的巷道在經過數個月后變形量急劇增大，嚴重影響了帶式運輸機正常運行，經過多次敲幫、起底維修，仍無法有效控制巷道變形。本研究經過分析，認為該巷道原有支護方案存在的問題如下：

(1)整個盤區帶式運輸大巷采用同一種支護方案，無法滿足不同條件下的巷道支護要求。部分區段巷道穿過泥巖層，工程地質條件較差，需要加強支護，尤其是對于底板[1]。

(2)鄰近巷道爆破掘進的影響。巷道掘進初期采用鉆爆法[2-6]掘進，在爆破振動作用下，使得巷道水平受力呈現不對稱性，造成41盤區帶式運輸機大巷在掘進一段時間后幫部變形嚴重。在此不利情形下，未能對巷道關鍵部位及時進行加固，導致巷道經過多次返修仍然變形嚴重。

(3)巷道發生變形破壞后，單純依靠增加支護結構剛度來控制巷道變形，使得巷道變形過程轉換的能量未能得到及時釋放，造成巷道經過修復后再次發生破壞[7-8]。

(4)原有支護方案設計過程中未能深入分析巷道將要穿過的巖層的巖性特征，在支護施工過程中，未對底板進行加固，致使巷道底板圍巖變形較大，進而影響到巷道整體穩定性。

2　41盤區運輸大巷修復方案

2.1　修復方案

41盤區運輸大巷變形受到高地應力、底板軟巖、底板未支護和鄰近采動等多因素的影響。由相關觀測數據可知，巷道頂板及幫部松動圈深度為2.3～2.5 m，超出原有支護方案中錨桿的支護范圍(2.2 m)，從而導致巷道發生嚴重變形。為提升巷道穩定性，必須抑制松動圈進一步擴展，故本研究提出增加錨桿長度的支護優化方案，將錨桿長度由2.2 m 增加至2.8 m，同時配合其他支護結構達到巷道修復的目的[9-11]。

2.1.1頂板變形修復方案

在巷道頂板原支護的情況下，首先對頂板部位已經發生破壞的圍巖表面進行處理，撬掉開裂和離層的漿皮；然后在頂板圍巖表面搭上鋼帶，重新掛上金屬網，呈梅花形式打錨桿、錨索；最后完成巷道表面混凝土噴層。

巷道頂板錨桿規格為φ20 mm×2 800 mm，間排距為800 mm×800 mm，錨索規格為φ18.9 mm×7 100 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm，金屬網規格為1 900 mm×700 mm(長×寬)，在處理頂板位置時，進行補打W型鋼帶。

2.1.2幫部變形修復方案

根據巷道變形情況可知，靠近采空區一側的幫部發生了明顯的偏幫、開裂和剝落，其變形明顯大于另一側幫部，可見巷道水平受力不對稱，巷道關鍵部位破壞比較明顯。首先將幫部開裂的漿皮和擠壓下凸出的圍巖撬掉，待幫部表面處理平滑后，重新掛金屬網，兩幫補打錨桿并進行復噴，考慮到附近采空區引起的礦壓影響，在左幫補打錨索。錨索規格為φ18.9 mm×7 100 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm；錨桿規格為φ20 mm×2 800 mm，間排距為700 mm×700 mm；金屬網規格為1 900 mm×700 mm(長×寬)，幫部增加的錨桿與原有錨桿呈梅花狀布置。

2.1.3底板隆起修復方案

首先對隆起巷道進行起底，起底厚度達到底板設計標高；然后在底角補打錨桿，同時在底板中間開挖卸壓槽，并用粉煤灰進行填充。具體修復方案為：在整個巷道支護斷面補打錨桿，錨桿規格為φ20 mm×2 800 mm，間排距為800 mm×800 mm，與原有的錨桿呈梅花狀布置；在頂板及左幫補打錨索，錨索規格為φ18.9 mm×8 000 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm；頂板修復必要時可以增加鋼帶，同時在底角兩側增設底角錨桿，并開挖規格為400 mm×600 mm(寬×深)的卸壓槽。整個巷道支護優化方案如圖3所示。

2.2　支護施工方案

由于41盤區運輸大巷破壞十分嚴重，頂板、幫部和底板均發生了大面積變形，故而在進行巷道修復過程中，需要清除巷道表面，使其達到巷道輪廓設計要求。具體措施為：首先搭設施工平臺，施工人員站立于施工平臺使用鐵鎬將頂板吊包、幫部凸出部分以及開裂的漿皮清除，直至露出原支護結構中的鋼筋網為止；然后將鋼筋網進行截斷，露出巷道圍巖表面，并且嚴格按照“敲幫問頂”制度處理巷道圍巖

圖3　41盤區運輸大巷支護優化斷面(單位：mm)

表面[12-14]；最后根據巷道形狀及高度設計要求完成部分漿皮清理，并進行鋼帶、鋼筋網鋪設，而后打入錨桿、錨索并進行噴漿處理[15-18]。在實際修復過程中，41盤區運輸大巷的不同區段發生了不同程度的變形破壞，本研究列舉其中2處巷道區段進行分析。

(1)修復巷道位置一。自4101工作面帶式輸送機巷開口向西長462 m區段，巷道來壓、頂板、幫部及底板開裂嚴重。相應的處理方案為：頂板開裂、吊包漿皮鑿掉后采用鋼筋網片、W型鋼帶、錨桿錨索支護，并進行噴漿處理；幫部將開裂漿皮處理后，重新鋪設鋼筋網，補打錨桿、錨索并進行噴射混凝土；底板需要重新進行起底施工，并開挖規格為400 mm× 600 mm(寬×深)卸壓槽。該段巷道修復面積為4 500 m2，需要錨桿4 500根，錨索690根，鋼筋網片3 500 m2，W型鋼帶460根，樹脂錨固劑13 800支。

(2)修復巷道位置二。自41盤區帶式輸送大機巷至4101工作面帶式輸送機巷，長度為223 m，該段巷道來壓以及頂板、幫部及底板開裂嚴重。相應的處理方案為：頂板開裂、吊包漿皮鑿掉后采用鋼筋網片、W型鋼帶、錨桿錨索支護，并進行噴漿處理；幫部將開裂漿皮處理后，重新鋪設鋼筋網，補打錨桿、錨索并進行噴射混凝土；底板需要重新進行起底施工，并開挖規格為400 mm×600 mm(寬×深)卸壓槽。該段巷道修復面積為1 800 m2，需要錨桿3 000根，錨索300根，鋼筋網片1 500 m2，W鋼帶300根，樹脂錨固劑10 000支。

3　支護效果分析

3.1　現場監測試驗段布設

以41盤區運輸大巷圍巖變形及松動圈演化規律為依據，為驗證本研究支護優化方案的合理性，在該盤區運輸大巷試驗段共布置了2個綜合監測斷面和2個松動圈窺視斷面。其中，1#、2#綜合監測斷面與T18控制點的距離分別為145，155 m(圖4)。

圖4　41盤區運輸大巷試驗段監測斷面位置示意

3.2　巷道變形及錨桿、錨索受力情況

本研究以1#綜合監測斷面數據為例進行分析。該斷面距離工作面迎頭23 m，后期以一定周期進行跟蹤監測，主要監測內容為頂板離層、巷道表面位移以及錨桿、錨索受力情況，結果如圖5所示。

圖5　巷道圍巖變形及錨桿、錨索受力特征

由圖5可知：

(1)運輸大巷試驗段頂板離層最大值為7.3 mm，表明巷道頂板圍巖較穩定，頂板離層隨著巷道往前掘進逐漸趨于穩定，在工作面迎頭距離監測斷面30 m位置，頂板離層趨于穩定。

(2)頂板下沉量最大為7.6 mm，兩幫收斂量最大為13.1 mm，兩幫收斂量大于頂板下沉量，表明本研究巷道支護優化方案對于巷道頂板變形的控制效果優于兩幫。

(3)給頂板錨桿施加預緊力后，隨著工作面迎頭往前掘進，錨桿壓力呈增大趨勢。當工作面迎頭距離監測斷面60 m時，頂板錨桿受力趨于穩定，錨桿壓力最大值為28 kN。

(4)給頂板錨索施加預緊力后，錨索壓力值變化很小，表明頂板深部圍巖穩定，錨索壓力最大值為32.34 kN。

(5)給右幫錨桿施加預緊力后，錨桿受力呈減小趨勢，是由于圍巖中的裂隙在壓力作用下發生閉合，導致錨桿測力計卸壓。隨著工作面迎頭往前掘進，左幫錨桿受力遠大于右幫錨桿，最大值為25.65 kN，原因在于鄰近巷道掘進的影響，導致左幫錨桿壓力值大于右幫。

采用本研究提出的支護優化方案后，41盤區運輸大巷變形得到了有效控制，經過噴漿處理后，在較長一段時間內巷道表面光滑，圍巖十分穩定(圖6)。

圖6　采用支護優化方案修復后的巷道

4　結　語

針對某礦41盤區運輸大巷的圍巖特征，通過分析該巷道原有支護方案的不足，對巷道頂板、兩幫以及底板支護方案分別進行了優化。巷道變形以及錨桿、錨索受力監測表明，采用支護優化方案后，巷道變形得到了有效控制，錨桿、錨索受力較小，均未超過各自允許的抗拉強度。

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