霍爾辛赫煤礦3 號煤層皮帶巷支護優化分析

史 東 鑫

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西長治046600）

1 工程概況

霍爾辛赫煤礦3 號煤層，下距9 號煤層55.72～79.70m,平均58.04m.煤層厚度4.49～7.17m，平均5.65m，結構較簡單，含0～2 夾矸，為全區穩定可采煤層。煤層頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，局部為砂巖，底板為黑色泥巖、炭質泥巖，巷道原支護采用“錨桿+U 型鋼”支護，原支護斷面見圖1 所示。巷道在采用原支護方式后，在較短的時間內出現了明顯的變形破壞，雖然進行了多次返修，但從巷道在返修后，在較短的時間內仍舊出現了較大的變形，嚴重影響到巷道正常使用。

圖1 3 號煤層皮帶巷原支護設計圖

2 3 號煤層皮帶巷變形破壞特征

為深入掌握3 號煤層皮帶巷出現的變形破壞情況，對3 號煤層皮帶巷出現的變形破壞情況進行了現場勘查，得到巷道變形情況特征主要為：

2.1 巷道圍巖自穩時間非常短

在3 號煤層皮帶巷開掘后，從巷道暴露到出現大面積的變形破壞，間隔的時間非常短，部分情況下出現了在巷道沒有得到及時支護時，巷道斷面就出現了急劇縮小。這表明，巷道在掘進之后，整體的圍巖結構受到了較大的破壞，特別是巷道來壓相對較快，給巷道的穩定性帶來較大的威脅。

2.2 巷道圍巖流變性非常顯著

從現場觀測情況來看，皮帶巷距離巷道表層的5m 范圍內甚至更深的位置均出現了明顯的位移，表現出明顯的流變，同時不斷向深部擴展。在巷道掘進后，圍巖趨于穩定的時間非常長，甚至超過了30d，由于巷道表現出明顯的流變性，導致巷道多次拉底。

2.3 巷道圍巖整體收斂速度非?？?/h3>

從現場觀察情況來看，頂板與底板的相對移近量明顯超過了兩幫的相對移近量，特別是底板鼓起的問題非常嚴重，整個巷道表現出全斷面的收斂變形。觀測表明，皮帶巷圍巖變形規律為：頂板和底板的相對移近量平均為兩幫收斂量的2 倍以上，頂板也出現了明顯的離層問題，部分鋼架在支護過程中也出現了斷裂實效。分別見圖2（a）（b）所示。

圖2 3 號煤層皮帶巷現場變形破壞圖

3 3 號煤層皮帶巷變形破壞原因

通過現場勘查和理論分析，認為導致皮帶巷出現大變形破壞的主要原因有如下幾個方面：

首先，地質條件較為復雜。從現場勘查情況來看，皮帶巷所處煤層缺失、變薄相對較多，形態變化較大。同時，從巖性分析來看，圍巖泥巖成分含量較高，包含有較多的膨脹性黏土礦物，例如，高嶺石、蒙脫石的含量明顯較高，這類巖石容易出現風化潮解的問題，特別是水穩定性較差。在巷道的頂板、底板及煤層中均含有較多的泥質巖體，流變性特性非常突出。同時，通過對巖樣進行單軸抗壓試驗來看，圍巖單軸抗壓強度在3～5MPa，這表明圍巖單軸抗壓強度偏低，自承能力較弱，這是導致巷道出現大面積變形破壞的主要原因。

其次，巷道原支護并未形成完整的承載結構。從原支護設計來看，整個設計屬于開放式支護結構，底板處于敞開狀態。同時，原支護下錨桿支護體和U 型鋼支護并沒有實現支護耦合，并沒有形成“圍巖+支護體”形成的完整支護結構，整個支護體系的整體支護效能不能較好發揮。

第三，圍巖承載能力并為充分發揮。在對軟巖巷道進行支護時，需要最大限度的提升巷道圍巖松動圈的殘余強度，將圍巖的承載能力充分發揮出來。但從皮帶巷原有支護情況來看，僅僅在巷道的頂板與兩幫進行了錨桿支護，所支護的范圍也僅僅是巷道的淺部，深部穩定圍巖對淺部圍巖的穩定作用并沒有充分發揮出來，這也是導致巷道頂板出現大范圍離層的主要原因。

4 3 號煤層皮帶巷返修支護分析

結合3 號煤層皮帶巷所處地質條件，為最大限度提升圍巖自承能力和支護的整體性，本次返修設計采用“錨網索+U 型鋼+柔性層”組成的復合支護方案，設計返修支護方案見圖3 所示。

圖3 皮帶巷返修支護示意圖

返修支護機理和具體支護方案為：

1）全斷面進行錨桿支護，選擇使用φ22mm×2 400mm 的高強度錨桿，對原支護方案2 000mm 的錨桿進行了針對性的加長，在巷道的淺部形成范圍更大、支護能力更強的淺部圍巖承載結構。同時，設計全斷面支護的方式，有效克服原支護中底板處于敞開支護狀態存在的弊端。設置錨桿預緊力150kN。設計采用W 型鋼帶對錨桿進行連接，托盤選擇使用高強度拱形托盤。錨桿間排距設計為800mm×800mm。

2）全斷面錨索支護。針對原支護設計中深部穩定圍巖在支護中的作用未充分發揮出來的實際，在返修支護設計時，在全斷面增加錨索支護，參數為φ22mm×7300mm，其中，頂板錨索的間距設計為1.5m，排距設計為2.4m。同時，在巷道的2 個底角的位置設計打設45°錨索，主要是為了將兩幫對底板帶來的壓力有效切斷，降低底板鼓起量。

3）U 型鋼支護。返修支護時，選擇使用U36 型鋼，在型鋼與型鋼之間選擇使用螺桿式卡纜連接，并使用強力拉板將各個支架連接在一起，全面提升支護結構的整體性，設計支架之間的間距為800mm。

4）柔性層施工。在原支護設計中，U 型鋼和錨桿支護體之間存在較大的空隙，不均勻支護的問題明顯，在返修支護時，設計在U 型鋼支架和錨網索支護體之間，加入厚度在60mm 的柔性墊板，主要材質為超高分子聚乙烯板。通過將柔性層加入，不僅能較好增強支護體的整體性，同時也給巷道的變形提出了一定的空間，達到了“先讓后抗、主動支護”的效果。

5 3 號煤層皮帶巷返修支護效果分析

在返修方案實施后，選擇使用“十字交叉法”對巷道返修情況進行了監測，得到了巷道變形曲線見圖4所示。

圖4 皮帶巷返修支護圍巖變形曲線

從圖4 可知，在返修方案實施后，巷道圍巖整體取得了較好的支護控制效果，巷道頂板下沉量、底板鼓起量及兩幫收斂量等均相對于先前有了明顯的降低，這表明返修支護方案實現了對巷道穩定性的較好控制。

6 結束語

1）從深部巷道支護實踐來看，在淺部巷道支護中能夠取得較好支護效果的支護方案，在深部巷道支護時，表現出明顯的不適應性，支護效果較差。

2）深部巷道支護需充分考慮巷道所處的復雜地質條件、圍巖巖性、支護體之間的耦合性等因素，特別是考慮“工程軟巖”條件下，應當充分調動深部巷道圍巖與支護體形成一個完整的支護結構，全面提升支護整體性，才能更好滿足深部巷道支護要求。