河神庙千米深井巷道合理支护方式与技术参数研究

李宏斌，宋选民，郭凌云，梁晋元

（1.潞安矿业集团基建中心，山西 长治 462000；2.太原理工大学 采矿工艺研究所，太原 030024）

潞安矿区近年建成的屯留、高河等矿井前期开采煤层深达800m，而最近规划的河神庙和姚家山矿井采深可达1000m以上。在千米矿井的高地应力、软岩条件下，巷道的支护与安全控制问题将成为一项重要的关键难题。深部巷道围岩的高地应力使其实际成为工程软岩，呈现强烈的扩容、应变软化和持续流变特征，巷道围岩变形速度快，底鼓将会非常严重，致使部分巷道返修率达90%以上，实现安全高效开采难度增高，生产成本增加[1]。在前期收集矿井地质资料的基础上，结合矿井的设计规划要求，对潞安千米矿井巷道围岩所处的地应力环境、围岩属性、巷道变形破坏特征以及合理的布置方案、支护方式、支护控制技术参数等进行必要的理论预测研究，给今后矿井规划设计与建设施工提供充分的基础决策依据，保障矿井的快速建设和安全高效生产，将有很重要的工程实际价值。

1 河神庙千米矿井巷道围岩稳定性的初步理论判断

1.1 河神庙矿地质赋存概况

河神庙矿可采煤层为5号煤和8、9号煤合并层。4号煤与5号煤在井田西南部及东南角合并为一层，面积约占全井田1／3，合并后煤厚明显增大，达6m以上，夹石增多（1～4层），结构复杂。分叉后4号煤厚1.20～3.55m，平均2.53m，厚度变化较大，结构简单，含夹矸0～1层，属全井田可采的稳定煤层。煤层顶、底板均为泥岩、砂质泥岩。5号煤赋存于山西组下部，上距4号煤0～2.95m，平均1.31 m，下距K3砂岩8.00m，煤厚1.15～8.20m，平均5.27m，夹矸0～4层，多为泥岩，结构复杂，属全井田可采的稳定煤层。河神庙矿5号煤埋深变化在662.5～1190.4m，平均埋深987.2m。

5号煤直接顶的泥岩厚度0～4.90m，为软岩，砂质泥岩厚度0～5.50m，抗压强度为8.4～21.0 MPa，属软岩。底板岩性为泥岩、砂质泥岩及粉砂岩等，厚度及岩相变化较大。泥岩厚度0.00～2.40 m，抗压强度为14.9MPa，属软岩。

8、9号煤合并层赋存于石灰岩下1～4m，直接顶为泥岩。煤层厚度8.85～12.00m，平均10.96 m。含夹矸1～4层，结构复杂，夹矸多为泥岩，厚度变化规律性不明显。属全井田可采的稳定煤层 煤层顶、底板均为泥岩、砂质泥岩，基本（老）顶为石灰岩。河神庙矿8＋9＃煤埋深727.4～1254.9，平均埋深1052m。

8、9号煤合并层顶板为石灰岩，厚2.71～15.02 m，抗压强度45.1～59.1MPa，属较稳定类型。底板主要为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及细粒砂岩等，厚度及岩相变化较大。泥岩厚0～14.80m，属软岩。砂质泥岩厚0～12.50m，抗压强度6.3～15.4 MPa，属软岩。粉砂岩厚0～6.70m，抗压强度为26.4MPa，属软岩。底板岩层属不稳定类型。

1.2 巷道围岩属性的初步理论预测

河神庙矿，初步设计中开拓大巷所在岩层单轴抗压强度均值为32MPa，平均埋深为1018.5m，依据前苏联深井巷道稳定性评价公式[2]，有

故河神庙矿开拓巷道围岩类型，属于不稳定围岩。

对无采动影响的巷道，德国提出巷道失稳极限深度为[5]

由公式（2），开拓大巷的底板岩石抗压强度取为32MPa，则预测的巷道极限失稳深度Hmax＝780.65 m＜HSJ＝1018.50m，为此河神庙矿大巷的围岩是不稳定类型。

英国认为巷道发生失稳的极限深度为[5]

式中：η为岩石强度影响系数，取η＝0.8；2为应力集中系数；γ为岩层平均容重，MN／m3；σc为岩体单轴抗压强度，MPa；kv为 岩体裂隙 系数，kv＝ （v1／v2）2，其中v1、v2分别为声波在岩体和岩块中的传播速度，m／s，其余符号同前。

由公式（3），预测时取kv＝0.75，岩层容重γ＝0.025MN／m3，岩体抗压强度σc＝32MPa，则巷道的极限失稳深度为384m，实际采深（1018.50m）大于该方法预测的极限深度，开拓巷道围岩容易变形失稳，同样不稳定。此外，河神庙矿4号、5号及其合并层，顶、底板多为泥岩和砂质泥岩，最大单轴抗压强度分别为21.0MPa和14.9MPa，依据普氏硬度分类[3]，均为软岩；8-9号合并层的顶板为K2灰岩，抗压强度为59.1MPa，底板多为泥岩和砂质泥岩类，最大抗压强度分别为15.4MPa和26.4 MPa，同样属于软岩类型。规划设计的开拓大巷位于这些岩层中，因此该矿主要开拓大巷的围岩总体属于难控制的软岩类型。总之，河神庙矿设计开拓大巷总体属于髙应力环境下难控制、不稳定的软岩组合类型。

2 河神庙矿千米深井开拓巷道合理布置方案设计

2.1 开拓大巷的合理布置方案

千米深井条件下，开拓巷道的布置条数取决于矿井的井型规模、运输方式和矿井瓦斯等级等。对于姚家山矿，开采深度大（1000m），煤层的资源赋存条件好，但矿井瓦斯鉴定等级高，应为高瓦斯矿井。为此，依据该矿的可研规划，为发挥资源优势，提高资金利用率，设计生产集中化和现代化的高效矿井，成为必然的选择。按照集团公司所定的目标“三千模式”，即“千米深井、千万吨、千人”的设计理念，矿井井型为1000万t／a.

在此地质与开采条件下，参照潞安集团屯留、司马和高河等埋深600～800m、井型300～600万t／a、高瓦斯矿井的规划设计和建设经验[4-6]，开采水平的开拓大巷必须布置运输大巷、辅助运输大巷和回风大巷，根据矿井产量和瓦斯等级，一般可布置2～3条主要进、回风大巷。初步设计将布置5条大巷，分别为胶带输送机大巷、轨道大巷、进风大巷和2条回风大巷，布置在5号煤层和8＋9号煤层之间。

在矿井布置5条开拓大巷时，巷道之间的煤柱宽度、各巷道断面型式、断面积、合理支护方式以及支护技术参数等关键问题，必须依据具体的各种影响因素予以合理经济地确定。

2.2 合理护巷矿柱宽度的留设

千米深井的高应力是巷道矿柱宽度的重要影响因素，其矿柱上的应力取决于巷道埋深、矿柱宽度，顶板岩层的坚固性和巷道所在岩层的坚固性[7]。

2.2.1 矿柱留设宽度的Bieniawski理论预测

按Bieniawski矿柱计算[8]，巷道矿柱宽度为

式中：σp为矿柱的Bieniawski强度，MPa；σc为矿柱的单轴抗压强度，MPa；B为矿柱宽度，m；h为矿柱高度，m；b为巷道宽度，m；H 为采深，m；γ为覆岩平均容重，kN／m3；qj为矿柱载荷集度，kN／m2。

对河神庙矿，因γ＝0.0255MN／m3，H＝1020 m，σc＝32.0MPa，h＝3m，b＝5.5m，由（4）式可求得开拓巷道矿柱宽度B＝28.29m。

2.2.2 基于弹塑性理论的矿柱宽度预测

千米深井，原岩垂直应力高达约26.5MPa，加之泥岩和砂质泥岩的强度较低，属于不稳定的工程软岩类型，故服务时间较长（20a）的水平开拓大巷肯定会有周边塑性区，借鉴圆形巷道形式，此时在巷道周围原岩应力与岩体的最大强度条件下，塑性区半径为[8]

式中：Rp为塑性区半径，m；a为巷道当量半径，m；u为巷道围岩径向位移，m；其余符号物理意义同前。

结合河神庙矿地质条件和初步设计，自重应力p0＝26.5MPa，巷道宽5.5m，高3m的矩形巷道，巷道当量半径a＝3.13m，平均容重0.025kN／m3，巷道的深度1020m，巷道围岩弹模E＝3400MPa，内聚力C＝2.5MPa，内摩擦角φ＝30°，泊松比μ＝0.27，代入（5）式，则在不受采动影响下，开拓巷道的塑性区半径为5.9m。

在受采区回采工作面开采影响时，考虑国内外的实践经验，取应力集中系数为1.5[9]，此时巷道周边的应力为39.75MPa，同理可得受采动时开拓巷道的塑性区半径Rp＝7.06m。

矿柱两侧均为宽5.5m、高3m的开拓大巷，由对称性巷道对矿柱的影响相同。因受采动影响时巷道塑性半径为7.06m，故沿宽度方向巷道矿柱的影响范围应是塑性区半径Rp与巷道宽度之半（B／2）的差值。

河神庙矿多条开拓大巷布置情况下，长期稳定的巷道矿柱宽度W为

式中：a1＋a2为相互影响的巷道塑性区总宽度，m；K1为巷道相互影响系数，可由文献[9]查得。

在河神庙矿埋深1020m，围岩强度32.0MPa情况下，由文献[9]，再考虑该矿开拓大巷是5条巷道的相互影响，可取其平行巷道影响系数为4.0，计算得矿柱的合理宽度为34.48m。

由上述考虑开拓巷道的矿柱的高厚比和长期稳定性的角度，综合考虑取其均值，则河神庙矿开拓水平的主要大巷的护巷岩柱宽度应为31.39m，实际设计时可取30m。

3 河神庙矿千米深井开拓巷道合理支护方式与支护参数的预测研究

3.1 开拓巷道的合理支护方式论证

对于矿井主要开拓巷道的合理支护方式选择论证，必须从巷道围岩的稳定性分类、巷道支护与围岩变形（服务年限内的最大值）的适应关系、支护强度等角度予以综合考虑，才能设计出科学、经济和安全可靠的大巷支护方式。

3.1.1 开拓巷道的围岩稳定性分类预测

首先，依据公式（1）～（3）的预测，河神庙矿大巷应属于深部围岩巷道，已经超过极限失稳深度，其稳定性较差，难以支护和控制。问题是对稳定性的准确刻画尚不准确，还需详细分类，以便分析合理的大巷支护方式。

由（1）式计算结果，应力与围岩强度比C为0.82，符合大于0.65，因此巷道属于不稳定围岩（Ⅲ类）。

3.1.2 开拓巷道的最大变形量预测按照圆形巷道考虑，周边位移为[8]

不受采动影响时，代入相关参数，发生在巷道周边的最大位移为

因此，不受采动时，周边位移约为64mm。若采动时，应力集中系数取为1.5，最大周边位移umax约131.10mm。据此，按照前苏联的分类[2]，受采动影响时，因50mm＜umax＜200mm，属于Ⅱ类中等稳定围岩。

前苏联通过在顿巴斯矿区的大量实践[2]，得出深井巷道掘进初期顶板与两帮移近量公式

式中：udt，uct分别是顶板和两帮在巷道掘进后，t时间内的移近量，mm；qd，qc分别是顶板和两帮对支架的作用力，MPa；γ为上覆岩层的容重，kN／m3；H 为巷道所处深度，m；σc为岩石单向抗压强度，MPa；σ0为寻求常数时引入的单向抗压强度，σ0＝30MPa；t为掘进后时间，d；b，h分别为巷道的原始宽度和高度，m。

对于河神庙矿开拓大巷，考虑服务年限15a，其时间t＝5475d，巷道宽度b＝5.5m，高度h＝3.0 m，顶板的支护强度取为qd＝0.2MPa，两帮支护强度取为qc＝0.1MPa，取与前述相同的其他参数，计算出顶底板移近量为867.5mm，两帮移近量为87.7mm.

由顶底板移近量867.5mm，同样按照巷道移近量的围岩稳定性评判标准，其应为很不稳定（IV）的类型。

综合上述的研究，河神庙矿埋深1020m的开拓巷道，应为不稳定的围岩类型（Ⅲ类）。

3.1.3 河神庙矿适宜的大巷支护形式综合研究

我国在深部巷道的支护方面有很大的进步，特别是在锚固的技术和装备方面越来越完善，由高强度的预应力锚索和高强度预应力锚杆以及高强度的金属网和W型钢带配套，形成了有效的以锚杆为主的主动支护系统。

总体而言，在深部矿井中高强度的预应力锚杆、锚索支护更为适合，但是由于深部矿井巷道围岩随时间延长具有蠕变性质，巷道的变形很大，U型钢可缩支架对巷的维护和二次支护起着重要的作用。鉴于河神庙矿深部开拓巷道围岩为不稳定类型，因此参照文献[1，2]，选用高强度的预应力锚杆、锚索联合支护形式，在局部地压、变形偏大和围岩破碎区域，选用高强度U型钢可缩支架作为二次支护。

3.2 河神庙矿千米深井开拓巷道合理支护技术参数设计

3.2.1 开拓大巷的合理支护强度预测

对于宽度5.0m和高度3.5m的开拓大巷，采用锚杆-锚索支护时，需要分别预测出巷道顶板的支护强度和两帮的支护强度。

若按照前述预测不受采动影响时巷道塑性圈半径（5.9m）考虑，可确定出巷道顶板支护强度为

代入相关参数，可得开拓大巷的顶板支护强度为0.11MPa，即110kPa。

巷道两帮的支护强度，按照（45°-φ／2）的角度，再考虑矩形巷道的应力集中系数Kj，确定巷帮的支护强度，有

在此，考虑河神庙矿岩层内摩擦角φ＝30°，其余参数取同前值，则预测出两帮支护强度约为0.11 MPa，即110kPa。为此，开拓巷道的顶板与两帮的支护强度相同，与深部围岩的进入塑性静水应力状态的假设吻合。

3.2.2 开拓大巷的支护技术参数设计

在用锚杆-锚索联合支护的情况下，按照所预测的顶板支护强度，选用左旋螺纹钢材质，确定顶板的锚杆支护间排距800×800mm，每排5根锚杆，锚杆直径、长度为Ø24mm×2400mm，全长树脂锚固，则其安全系数约为2.0。考虑河神庙矿井采深达1018.5m，巷道变形量大，选用鼓型托板，规格10mm×100mm×100mm。

W型钢带选用规格为长度4000mm，宽度200 mm；金属网选用40mm×40mm菱形金属网。

巷道两帮锚杆支护，同样选用左旋螺纹钢材质，确定两帮锚杆支护间排距800×800mm，每排4根锚杆，锚杆直径、长度为Ø24mm×2400mm，全长树脂锚固。选用鼓型托板，规格6mm×100mm×100mm。

因为设计断面巷道，塑性松动范围已经达到5.9m，据此锚索加强支护选用 Ø21.6mm×8000 mm，間排距1200×1600mm，每排3根，托板规格10mm×200mm×200mm，破断力500kN，锁具型号M22-1。

考虑到巷道围岩服务年限长，易风化，变形大，为此选用C25钢纤维混凝土进行喷浆支护，喷层总厚度200mm，分两次完成，第一次喷100mm，后期再喷100mm，完成全部支护。

4 结论

1）河神庙矿千米深井开拓巷道，其围岩属于不稳定类型。

2）河神庙矿开拓巷道需要布置5条大巷，即胶带输送机大巷、轨道大巷、进风大巷和2条回风大巷。大巷之间的岩柱宽度可取30m.

3）河神庙矿预测的巷道顶板支护强度与两帮支护强度相等，且预测最大变形量867.5mm，为此采用锚杆-锚索联合支护方式最为巷道的初次支护是适宜的，二次支护选用喷射钢纤维混凝土支护。

4）巷道的一次支护为顶板支护选用左旋螺纹钢锚杆Ø24mm×2400mm，间排距800mm×800 mm，每排5根锚杆，全长树脂锚固方式，选用鼓型托板，规格10mm×100mm×100mm。巷帮支护选用左旋螺纹钢锚杆Ø24mm×2400mm，间排距800mm×800mm，每排4根锚杆，全长树脂锚固。选用鼓型托板，规格6mm×100mm×100mm。

顶板锚索加强支护选用 Ø21.6mm×8000 mm，間排距1200×1600mm，每排3根，托板规格10mm×200mm×200mm，破断力500kN，锁具型号M22-1。

5）开拓巷道二次支护，选用C25钢纤维混凝土喷浆支护，喷层总厚200mm，分两次各喷100mm。

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