受陷落柱影響區巷道支護優化設計研究

郝占璽

（山西大同煤礦集團公司云岡礦，山西 大同 037017）

煤系地層中時常會伴有陷落柱等構造，陷落柱內部主要為軟弱巖體或者散體。在煤礦開拓主要運輸巷道時遇到陷落柱后的主要做法，一般為按照原設計施工直接穿過陷落柱。該方法給巷道維護和頂板管理造成很大困難，也增加巷道的維護費用。巷道過陷落柱構造區域的支護，常規的方式是采用架棚和表層噴射混凝土工藝。該方式在經過一定的維護期之后，巷道會發生較大變形，影響煤礦正常生產。根據云岡礦8#煤層大穿越陷落柱的實際情況，提出采用主動和被動支護相結合的支護方式控制巷道圍巖，取得理想效果。

1 概況

8#煤輔運大巷、主運大巷與回風大巷均受到陷落柱構造影響。陷落柱呈橢圓形平面，各巷道沿軸向方向直接影響區域分別為180 m、220 m 和240 m。巷道掘進發現陷落柱中的巖性為風氧化煤、黃泥、黃土、砂巖互層，且含有豐富的水分，易誘發頂板冒落和片幫。通過深鉆孔測得陷落柱中土樣吸水性極強，吸水飽和后崩解，黃泥中含蒙脫石，吸水后具有膨脹性，陷落柱中泥巖受水浸泡后強度極低或基本無強度。

8#煤層輔運大巷、主運大巷及回風大巷斷面均為三心拱，高3.9 m，寬5 m，斷面19.5 m2。3 條巷道均采用U29 鋼架棚支護，四合一拱形支架，腿長4.2 m，梁長2.4 m。棚距中對中0.6m，梁腿搭接長度0.4 m，卡距0.4 m，每棚使用6 副卡纜，8 個拉鉤，利用菱形網繃緊，空幫、空頂的部分用長0.8 m 半圓木接實或用1.2 m 長預制水泥板接實。鋪網，頂、幫均鋪金屬網，金屬網搭接長度100 m，每300 mm用12 號雙股鐵絲扎緊。架棚后噴射混凝土，強度C20，噴射厚度150 mm，巷道支護情況如圖1 所示。

2 受陷落柱影響的巷道圍巖變形原因

2.1 巷道圍巖變形狀況

8#煤層輔運、主運和回風3 條巷道在陷落柱影響區域段使用期間均發生較嚴重變形，輔運大巷變形最嚴重，其次是主運大巷，變形最小為回風大巷。其中2016 年輔運大巷和主運大巷進行過全面整修，整修前巷道圍巖變形特征為：

（1）U 形鋼支架被壓回縮，頂部被壓平，幫部棚腿向巷內變形彎曲，混凝土噴層開裂脫落，片狀懸掛，內部陷落柱黃泥鼓出。

（2）變形破壞嚴重程度最大的區域為輔運大巷與主運大巷之間的巖柱區域，實測巷道變形量最大值主運大巷移近量為1.50 m，兩幫移近量為0.95 m。

圖1 8#煤層巷道原支護形式

為保障生產正常進行，于2016 年對主運大巷和輔運大巷進行了全面整修，擴幫和起底，并采用原有支護方式對巷道進行了二次支護。但在1 年后，巷道又出現較為嚴重的破壞，表現為頂板混凝土噴層脫落，巷幫出現一條水平方向裂縫，裂縫上下部變形出現不協調，也有些區域巷道變形并不嚴重。

2.2 巷道圍巖變形原因分析

通過現場調研陷落柱形態、內部構造、巖性、巷道尺寸及其與陷落柱位置關系等，分析得出陷落柱影響區大巷發生變形破壞原因如下：

（1）8#煤層3 條大巷處于陷落柱影響區域，陷落柱巖體完整性差，強度低。巷道深鉆孔觀測結果表明，巷道15 m 范圍內多為砂土和黃泥等，圍巖穩定性差，易于發生變形和破壞。

（2）由于陷落柱內巖體軟弱且含水，在長期的礦山壓力作用下，被動支護體會發生侵蝕和破壞。

（3）3 條大巷支護采用U 形鋼加噴射混凝土支護，支護方式為被動支護，在長期難自穩的巖體作用下，礦壓積累顯現程度會逐漸增加，出現變形過大現象。

綜上所述，受陷落柱影響區3 條大巷服務時間長，重要性高，要求長期處于穩定狀態，但受陷落柱影響，有些區域經過2 次維修仍存在一定問題。因此，巷道支護方式需要優化，以增強圍巖承載能力，提高巷道的穩定性，延長巷道翻修周期。

3 巷道受陷落柱影響區優化支護模擬研究

8#煤層3 條大巷受陷落柱影響區域的支護優化是在巷道維護方式上做出的變革，采用主動支護和被動支護聯合控制的方法控制巷道的穩定，在增加錨桿索的同時確定降低棚式支護的密度，并合理優化其支護參數。其模擬方案設計如表1 所示。

表1 8#煤層3 大巷道錨桿索優化支護模擬方案設計

綜合表1 模擬方案結果可知，8#煤層3 條大巷受陷落柱影響區域采用U 形棚與錨桿索聯合支護技術關鍵參數：錨桿間排距900 mm×900 mm，錨索為每排2 根，錨索長度為5.0 m，U 形棚的棚距為900 mm。

4 支護優化方案

結合工程類比法、原有支護方案的一些參數以及現場具有的設備和材料，設計出8#煤3 條大巷優化后的支護方案均采用錨桿索架棚與噴漿聯合支護方式，如圖2 所示。

4.1 錨桿索支護參數

頂錨桿采用Φ22 mm 無縱筋螺紋鋼錨桿，長度2.1 m，使用1 根K2335、1 根22360 樹脂錨固劑。從巷道中線開始，間排距為900 mm×900 mm，共打7 根錨桿。頂板網片采用Φ4 mm×80 mm 焊接方格網，長×寬=3 m×1.3 m，網片相互搭接長度為100 mm。

頂錨索采用Φ17.8 mm 的鋼絞線，長5.3 m，孔深5.0 m。每個錨索鉆孔裝1 根K2352、2 根Z2360樹脂藥卷。每排布置3 根錨索，從中線開始每1.8 m安裝1 根，間排距1800 m×1800 mm。托板規格為250 mm×250 mm×10 mm。

幫錨桿采用Φ22 mm 無縱筋螺紋鋼錨桿，長度2.4 m，間排距900 mm×9900 mm，每孔使用1 根K2335 和1 根Z2360 樹脂錨固劑。每排每幫布置3 根錨桿，最下1 根安設角度與垂直方向成15°，其余2 根錨桿水平布置。兩幫錨桿鐵托板規格為200 mm×200 mm×10 mm。

4.2 棚式支護與混凝土加固

架棚采用U29 鋼拱形支架，腿長為4.2 m，梁長為2.4 m。棚中對中0.9 m，粱腿搭接0.4 m，卡距0.4 m。每棚使用6 副卡纜、8 個拉鉤，利用菱形網繃緊，空幫、空頂的部分用長0.8 m 半圓木接實，頂、兩幫均鋪金屬網，金屬網搭接100 mm。架棚后噴射混凝土，強度C20，噴厚度150 mm。

圖2 錨桿索架棚與噴漿聯合支護方式

5 現場試驗效果

在8#煤層輔運大巷、主運大巷與回風大巷內設置的離層監測測點顯示，3 條大巷的頂板離層均不明顯。過3 個月后的表面位移觀測發現，巷道的表面位移有一定的變化，輔運大巷內的3 個測點的巷道兩幫移近量平均為15 mm，頂板下沉量10 mm；主運大巷的3 個測點的兩幫移近量平均值20 mm，頂板下沉量13 mm；回風大巷的3 個測點兩幫移近量約為12 mm，頂板下沉量8 mm。這說明3 條大巷經維修后，巷道變形量較小，優化設計后的支護方案可以有效控制巷道圍巖的變形，巷道內不會發生劇烈變形和破壞，優化支護設計方案合理有效。

6 結論

陷落柱影響區的大巷圍巖軟弱不穩定，不能實現圍巖自穩是造成巷道持續出現變形的主要原因。對云岡礦8#煤層受陷落柱影響的3 條大巷的支護進行了優化設計，在巷道圍巖進行分類的基礎上確定支護設計原則。根據模擬試驗確定8#煤3 條大巷優化后的支護方案均采用錨桿索架棚與噴漿聯合支護方式，實踐應用效果理想，有效地控制了巷道的圍巖變形。