復雜地質條件下的掘進支護技術及應用

王 強

（山西潞安環保能源開發股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046000）

煤炭是重要的經濟能源，對于推動我國社會經濟的發展起到了至關重要的作用，隨著常年累積開采，淺部及地質條件簡單區域的煤炭資源基本被開采殆盡，為了提高煤炭產量，開采復雜地質條件下煤炭資源是必然的趨勢。復雜地質條件不僅增加了開采難度，而且給煤礦掘進作業帶來一定的安全隱患。因此，提高效率、保證安全是掘進階段面臨的技術難題。本文基于常村礦復雜地質條件下的煤礦掘進支護技術分析，為礦井的實際掘進生產提供依據。

1 工程背景

常村礦所采3#煤層位于山西組的中、下部，煤層賦存穩定，煤層均厚5.85m，煤層傾角0～7°，煤體容重1.4t/m3，埋藏深度為453.2～517.7m之間。

隨著礦井采深增加，地應力對礦井圍巖影響較淺部更加明顯，給掘進作業造成困難。在復雜地質條件地區作業，受采動應力影響，巷道圍巖很容易發生破碎變形，進而造成作業空間收縮，增加巷道作業安全風險。同時部分區域存在斷層等結構，在掘進應力的作用下，斷層附近圍巖裂隙更加發育，導致頂板壓力增大，造成巷道維修頻率增加。

在常村礦西南區域廣泛分布陷落柱和斷層，而且部分斷層落差較大，當下礦井該區域正進行S3-13工作面的布置。在掘進作業過程中，多次遇到斷層和陷落柱等多種地質構造，其中斷層影響較大，最大落差3.2m，且掘進過程中工作面頂底板硬度較低，尤其在斷層附近區域，極易發生變形破壞，對掘進工作十分不利，降低了正常掘進效率。原巷道初設支護方式在不同地質條件下，支護參數基本相同，導致掘巷期間巷道變形無法有效控制，因此在復雜地質條件下進行掘進支護研究十分必要。

2 復雜地質條件下的掘進支護技術

S3-13回風巷掘進設計長度500m，采用綜掘機進行巷道掘進。

2.1 直接破頂支護方式

當圍巖普氏系數大于5，斷層落差不小于2m時，掘進機可以直接對斷層頂部進行破斷，去除破碎區域，然后再進行錨網索的支護，可進一步提高巷道的自承載能力。

S3-13回風巷掘進工作面煤巖體普氏系數平均為3.8，多次遇到斷層，其中落差最大2.8m，最小0.4m，平均約為1.2m。

針對落差較小斷層區域，掘進機直接破巖通過，正常支護；而斷層落差較大區域，針對前述分析，除巷道破頂之外，由于煤巖體較軟，自承載能力有限，除以上破碎區域采用的錨網索支護外，還需要進行加強支護。主要形式為“螺紋鋼錨桿+錨索+鋼筋骨架網+槽鋼/U型鋼錨索梁+W鋼帶”，其中頂板錨桿Φ18×2100mm，錨索Φ17.8×6500mm，鋼筋骨架網1000×2000mm，槽鋼120×60×2400mm，W鋼帶3×230×4000mm，U型鋼120×60×2400mm，均采用“三八式”布置。其中回風巷道支護斷面具體如圖1所示。

圖1 直接破頂巷道支護

2.2 后退臥底支護方式

在巷道掘進中，會遇到部分斷層發育區域出現斷層下移的情況，當斷層落差在2.5m以內，且巷道頂板完整性較好時，可利用錨網索進行巷道圍巖的加強支護，提高巷道圍巖強度。如圖2所示。

此時，掘進機應滯后支護位置約16m，以保障支護作業的安全正常進行。另外，當掘進機作業面坡度小于實際土坡坡度時，掘進機借助不大于10°的載坡進行后退臥底作業，進而確保巷道高度達到設計標準。如圖3所示。

2.3 U型鋼臨時性支護方式

在斷層落差過大時，由于斷層區域圍巖受到多次摩擦擠壓，巖性破碎，掘進通過時需要進行臨時性支護。臨時性支護應采用U型鋼協同錨桿對頂板圍巖進行支護，提高圍巖錨桿區的整體性。需要注意的是，除了進行臨時支護外，還需要結合錨桿索等其他措施對圍巖進行深層加固，具體如圖4所示。其中U型鋼采用型號U36，間距650m，梁腿搭接長度500mm，頂梁搭接1000mm，頂部4套、幫部各3套卡纜；相鄰支架之間頂部2套、幫部各2套拉板；頂幫錨桿為Φ18 mm×2400mm、間排距800mm×600mm左旋螺紋鋼錨桿。

圖2 后退臥底方式巷道支護

圖3 后退臥底方式過斷層

3 結語

基于掘進工作面的實際地質條件，區分不同情況，采用直接破頂支護方式、后退臥底支護方式和U型鋼臨時支護方式支護頂板。通過上述掘進支護技術的應用，在巷道掘進初始階段，巷道圍巖變形比較強烈，以頂板變形最為突出，尤其是U型鋼臨時支護方式中，在0～10d內，巷道變形占據巷道總變形的1/2左右，往后一個月內，變形趨于穩定，其中頂底板圍巖變形平均維持在113.82mm，兩幫變形量平均為75.12mm，較礦井原始支護技術分別減小了38.13mm和21.74mm，效果較為明顯。