回采巷道松軟破碎圍巖支護技術的探討

閆二寶

（西山煤電集團有限責任公司馬蘭礦， 山西 交城 030200）

1 礦井概況

馬蘭礦位于山西省古交市西南15 km，礦區南北長約5.9 km，東西寬約6.3 km，礦井面積約32.8 km2，礦井設計生產能力400萬t。六采區位于馬蘭礦井北部西翼，設計長度320 m，軌道巷深度650 m，巷道斷面設計為梯形，尺寸4.0 m×2.6 m，巷道掘進沿8號煤層開采，煤層平均傾角18°，煤層平均厚度2.8 m。巷道所過區域，部分區段8號直接頂為復合泥巖，節理裂隙發育，厚度1.2 m左右，同上部砂質泥巖間存在夾煤線。巷道埋深較大，掘進作業時圍巖應力較大，易發生頂板垮落與巷道變形現象，威脅作業安全。隨著礦井開采深度的增加，巷道圍巖壓力的逐步增強，礦井回采面臨大圍壓環境，使得深部井下巷道在掘進過程中存在圍巖松散破碎、巷道易變形失穩的特點，影響礦井的安全高效生產[1-2]。圖1為馬蘭礦六采區巷道布設示意圖。

圖1 馬蘭礦六采區巷道平面布設圖

2 支護難度分析

2.1 巷道掘進支護

馬蘭礦六采區軌道巷割煤掘進采用綜掘機施工，一掘一支，單個循環進刀兩次，進尺總長度1 600 mm。現場實踐表明，自開口處起巷道壓力顯現十分強烈，頂板易發生離層跨落現象，偽頂總厚達900 mm，進行綜掘作業易導致巖塊掉落，誘發巷道頂板的高低不平，同時兩幫煤壁松軟，易片幫，使得巷道成型效率低、進尺速度慢。

2.2 巷道臨時支護

礦井以往淺層巷道掘進臨時支護多選用輕型單體液壓支柱，但在深部巷道掘進中，受到松軟破碎頂板的影響，掘進單次循環結束后，圍巖受力環境的改變使得臨時支護的頂板跨落可能性大幅增加，不僅影響施工進度而且威脅生產安全[3]。

2.3 巷道永久支護

由于軌道巷頂板為泥巖，圍巖穩定性不足且偽頂厚度較大，易在短時間內發生脫落，采用托偽頂的支護方式，多次出現永久支護未完成，便發生偽頂脫落的事故。此外，已進行永久支護的巷道存在頂板離層、底鼓與兩幫移進現象，有必要進行加強支護與二次支護。

根據馬蘭礦的實際地質情況和開采條件，綜合考慮采取“短掘短支+超前支護+永久支護優化設計”的聯合支護技術方案。

3 支護方式選擇

3.1 短掘短支

根據馬蘭礦深部開采巷道頂板松軟破碎易發生離層的情況和生產技術要求，巷道掘進作業采用“三一重工”生產的EBZ-132懸臂式掘進機，實行短掘短支作業方式，將單次循環進尺長度由原來的1 800 mm降低為900 mm，割煤時兩幫煤壁厚度應保留在300 mm左右，為避免發生超挖現象刷幫作業應使用人工風鎬進行，使用膠帶運輸機完成原煤運輸，使巷道一次成型[4]。

3.2 超前支護

由于傳統的超前支護施工作業的控頂距離過大，存在臨時支護跟進不足的問題，對臨時支護工藝進行優化改進，采用掘進機進行機載超前支護工藝，具體工藝步驟如下：

1）在掘進機截割部布設主架與頂梁架，兩者借助液壓傳動手柄進行操控。臨時支護作業時操作閥調至支護位置并開啟泵站進行供油。同時支護所用鋼帶和網片以巷道中線為基準按照設計間排距進行找正并布設在頂梁架上，通過磁鐵裝置進行固定。掘進機操作人員向前推移臨時支護裝置控制手柄，待主架與頂梁架平穩打開后，依據頂板具體方位角，展開至所需角度，并提升主架進行固定。

2）臨時支架提升時控制手柄，確保頂梁架升至頂板時兩者中線基本重合，隨后將鋼帶與網片壓緊至頂板。同時，控制護幫板操作手柄，將護幫板貼合巷道迎頭煤壁[5]。最后，進行頂板錨桿施工，錨桿布設完畢后，先下降主架至底部，再合起主架與頂梁架，至全部收回掘進機為止后將操作閥調至掘進機位置，進行掘進機的正常作業，并進行下一循環操作。超前支護布設如圖2所示。

圖2 機載超前支護示意圖（mm）

3.3 支護參數設計

以軟巖工程力學理論為基礎，結合六采區施工現場實測，鑒于掘進施工巷道的圍巖屬于復合型軟巖，采取錨網帶聯合支護、錨網索加強支護的方式，回采巷道支護斷面結構如圖3所示。回采巷道頂板和兩幫采用“高強錨桿+金屬網+m鋼帶”的聯合支護發生。巷道頂板支護錨桿選用長2 200 mm，Φ20 mm的左旋螺紋鋼錨桿，布設間排距為800 mm×750 mm，金屬網尺寸為2 200 mm×1 000 mm，網格尺寸為70 mm×70 mm；鋼帶長4 000 mm。每根頂板錨桿適用兩支樹脂錨固劑進行錨固。巷道兩幫支護選用錨桿為長2 200 mm、Φ20 mm的左旋螺紋鋼錨桿，布設間排距800mm×800mm，其他布設同頂板支護相同[6]。

針對頂板與兩幫的錨索加強支護，其中頂板以中心線為基準布設三排錨索梁進行加固，錨索梁適用18號槽鋼制作，長3 000 mm，孔間距1 300 mm，采取一梁三索的形式，所用錨索長6 300 mm、Φ18.9 mm，布設間排距為1 500 mm×1 300 mm，單根錨索通過四支樹脂錨固劑進行加固。巷道兩幫分別布設一排錨索梁進行加固，布設排距800 mm，采用“一梁三索”聯合支護方式。

圖3 巷道支護斷面示意圖（mm）

4 巷道支護效果監測與分析

采用短掘短支工藝后，巷道整體施工質量獲得顯著提升，掘進作業時片幫漏頂現象大幅減少，巷道整體成型效果顯著。選用機載臨時支護的形式，為臨時支護提供了有效的主動支撐力，煤后迎頭頂板得到及時控制，能夠顯著提升圍巖穩定性，規避了以往臨時支護常發的頂板冒頂與離層現象。

采用聯合支護方案和施工工藝，為驗證巷道支護效果，對回采巷道圍巖變形進行監測，回采巷道圍巖位移-時間關系曲線圖如圖4所示。分別布設3個監測站，整個監測時長為24 d。對監測數據分析可以看出，受采動影響圍巖相對位移量有所增加，但小于未加固支護時圍巖變形量，變形速率也明顯縮小。巷道頂板離層最大值為31 mm，離層速度最大值為7 mm/d，3個監測站最大累積移進量為106 mm，隨后逐漸減小，后6 d后巷道圍巖變形量趨于穩定。可見采用聯合支護方式可有效控制巷道圍巖變形，取得良好的支護效果。

圖4 聯合支護后巷道圍巖位移-時間關系曲線圖

5 結論

1）馬蘭礦結合礦井的實際地質情況采用短掘短支工藝后，有效提升巷道的整體施工質量，降低掘進作業時的片幫現象發生概率；

2）巷道支護采用“短掘短支+機載臨時支護+永久支護優化”的聯合支護方式，解決松散破碎巷道支護難題，針對巷道永久支護的礦壓監測數據進行分析來看，聯合支護方式有效控制受采掘影響的圍巖變形破壞，表現出良好的支護效果，保證了礦井的安全高效生產。