復雜地質巷道掘進圍巖支護參數優化

馮開輝

（汾西礦業集團高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

巷道掘進過程中面臨揭露斷層、陷落柱、褶曲等地質構造，在構造作用下煤巖體賦存條件復雜，從而給巷道圍巖支護帶來較大制約[1-3]。復雜地質條件下巷道圍巖控制是制約礦井煤炭高效回采的一個重要方面，為此眾多學者及技術人員提出采用“錨桿+架棚”“預注漿+W 鋼帶+錨網索+工字鋼”等方式對圍巖進行控制，并在現場取得較好圍巖控制效果[4-6]。受到不同礦井巷道掘進條件差異影響，具體支護方案應依據現場實際條件確定[7-8]。為此，以山西某礦20503 運輸巷掘進過程中復雜地質區為工程研究背景，針對巷道原支護存在圍巖變形量過大問題，對支護參數進行針對性優化分析。

1 20503 工作面概況

山西某礦20503 工作面開采5 號煤層，厚度為6.2 m，采用綜放開采工藝，采放比為1∶1。5 號煤層賦存相對穩定，為礦井主采煤層，頂底板為砂巖、泥巖以及砂質泥巖。20503 工作面東為20501 采空區、西為實體煤、南側為DF101 斷層保護煤柱、北側為采區集中巷道，采面布置有3 條回采巷道，其中運輸位于采面最東側，與20501 采空區間留設有30 m 保護煤柱。

20503 運輸巷為矩形巷道（寬4.5 m、高3.1 m），采用綜掘方式沿煤層底板掘進，采用錨桿索聯合支護方式，具體支護斷面見圖1 所示。20503 運輸巷掘進至560 m 時，受到地質構造復雜影響，巷道圍巖承載能力降低、穩定性變差以及裂隙發育，從而導致巷道圍巖變形量增加、頂板出現不同程度冒落問題，給巷道掘進以及后續使用安全帶來較大威脅。因此，需要針對巷道掘進現場地質條件變化對巷道圍巖支護參數進行優化。

圖1 巷道原支護斷面（單位:mm）

2 巷道支護參數優化

2.1 基本原則

在對巷道圍巖進行支護時，在充分發揮圍巖自穩能力基礎上，對巷道圍巖進行強支護可提高圍巖支護效果。在20503 運輸巷掘進過復雜地質帶時，巷道支護應遵循下述原則：

巷道圍巖采用錨桿支護時應遵循一次支護到位，盡量避免后續二次支護給圍巖造成擾動，導致圍巖內產生新的裂隙；錨桿索支護完成后應施加較大的預緊力，從而給圍巖較大的壓應力，提高錨桿索應用效果；在支護時應選用的錨桿索應具備足夠的剛度、強度以及穩定性，同時桿體剛度以及強度應相匹配，支護時建議適當增加錨桿索支護強度以及剛度并適當降低錨桿索支護密度，錨桿支護時使用的托盤、鎖具等應與現場支護材料相匹配；應確保支護使用的錨桿便于井下操作。

2.2 主要支護參數優化

20503 運輸巷在掘進過地質構造復雜區域時面臨頂板冒落、圍巖變形較大等問題，為避免巷道后續掘進過程中出現冒頂事故，結合現場條件提出采用“超前鋼管+預應力長短錨索”對巷道頂板進行支護。

支護時采用的超前鋼管規格為Φ40mm×2000mm，在迎頭布置的超前鋼管間距為200 mm，按照30°仰角布置，具體布置見圖2 所示。巷道掘進過地質復雜區域時，掘進時循環進尺控制在800 mm 以內，最大、最小空頂距分別為200 mm、1 000 mm。綜掘機破煤時采用復式截割方式，單刀截割深度控制在400 mm 左右。

圖2 超前鋼管布置剖面圖

待運輸巷在超前鋼管支護下掘進后，立刻采用以錨網索為核心聯合支護方式對圍巖進行控制，頂板圍巖支護采用長、短錨索協同方式，采用的錨索桿體直徑均為17.8 mm，短錨索長6 300 mm、長錨索長1 800 mm，頂板每排施工6 個錨索，其中短錨索4根、長錨索2 根；錨索用3 支MSK2360 錨固劑錨固，有效錨固長度控制在1 800 mm 以上，錨索施工完成后確保錨固力、預緊力均滿足設計要求（錨固力設計要求大于200 kN、預緊力設計要求大于130 kN）。巷幫支護用螺紋鋼錨桿（Φ18 mm×2 200 mm），間排距900 mm×800 mm，錨桿用2 支錨固劑錨固（1 支MSCK2335、1 支MSK2360），有效錨固長度控制在950 mm 以上，錨桿施工完成后抗拔力、扭矩應滿足設計要求（抗拔力設計值為60 kN、扭矩設計值為120 N·m）。頂板用規格220 mm×4 mm×4 300 mm鋼帶配提高表層支護強度，抑制頂板下沉。具體優化后巷道支護參數見圖3 所示。

圖3 優化后巷道支護參數

3 支護參數優化后巷道圍巖變形量監測

支護參數優化監測圍巖變形，具體見圖4 所示。從圖中看出，支護參數優化后巷道圍巖支護完成35 d后基本趨于穩定，頂板累積下沉量為78 mm、巷幫累積變形量為67 mm；支護參數優化后巷道圍巖變形量較支護優化前降幅平均在45%以上。從圍巖變形監測結果來看，20503 運輸巷掘進過復雜地質帶時采用優化后的支護方案可有效提高巷道圍巖控制效果。

圖4 優化前后圍巖變形監測數據

4 結語

山西某礦20503 運輸巷掘進至560 m 時遇到地質構造復雜帶，在地質構造復雜帶內圍巖破碎、承載能力差以及構造應力發育，巷道在原支護方案下存在圍巖變形量大、頂板冒落風險高以及圍巖控制困難等問題。依據掘進巷道實際情況，提出采用“超前鋼管+預應力長短錨索”方式對巷道支護參數進行優化，并對支護方案進行設計。現場應用后，巷道在地質復雜帶內掘進期間圍巖變形量得以有效控制，巷道支護35 d 后圍巖穩定，頂板、巷幫變形分別為78 mm、67 mm 以內，優化后的巷道支護參數可滿足復雜地質條件下圍巖變形控制需要。