深井大巷破坏机理及支护技术研究

黄少华

(山西新景煤业有限责任公司,山西 阳泉 045000)

深井大巷破坏机理及支护技术研究

黄少华

(山西新景煤业有限责任公司,山西 阳泉 045000)

在北翼回风大巷采用非对称布置加长锚杆与锚索分2次支护这一技术措施，第1次通过锚杆进行支护，第2次支护采用锚索与W型钢带联合支护。通过现场施工、监测，巷道的围岩变形量控制在了安全范围以内，证明了所提出的支护方案科学合理。关键词： 非对称，联合支护，围岩变形

根据长期煤炭开采实践经验得知，深部煤层其巷道面临围岩变形量比较大、支护困难等一系列开采难题；浅部煤层围岩绝大多数处在弹塑性状态，深部围岩则可能处于塑性甚至破坏状态。随着矿井开采水平的不断延伸，一系列开采难题逐渐显露出来，在掘进开拓过程中可能遇到工程灾害，如突水事故、巷道变形严重等。因此，深部围岩大巷支护方案的选择将会影响整个矿井的正常安全生产[1-2]。

1 工程地质情况

北翼回风大巷是七元矿井下回风的主要通道，掘进中线高程是+400 m。在巷道掘进过程中，会穿过平均落差在7.9 m的断层，断层位置基本处于巷道掘进长度的中心处，在15#煤层后沿煤层顶板布置。根据钻孔综合柱状图显示，15#煤层上覆岩层分别为平均厚度近1.15 m的K2石灰岩和平均厚度达8.6 m厚软弱泥岩，15#煤层厚度在4.19 m～5.11 m范围内，平均厚度为4.37 m，根据试验测得的硬度系数f为2～3，倾角大约在5°，为近水平煤层。

2 巷道变形破坏原因分析

通过对七元煤矿北翼回风大巷所处的地质赋存特征和早期掘进过程中采用的U型钢结构支护形式存在的诸多问题进行分析研究，得出造成巷道断面发生较大移近量变形的若干关键因素。具体如下：

1) 地质构造(断层、褶曲和陷落柱)对巷道变形破坏的作用。通过地质勘探报告及施工工作面探明岩性特征分析得知，由于该范围内断层和褶曲等地质构造的作用，巷道周围岩体，特别是上覆顶板岩层和左右两侧帮围岩，在集中地应力作用下表现出破碎严重、节理异常的现象；而且，由于结构弱面的影响，造成岩层沿弱面滑动的趋势较大。以上情况造成北翼回风大巷断面在掘进试用阶段产生较大的偏移量，在不到1个月的时间里，其顶底板及左右两侧帮的移近量已经接近498 mm、586 mm。较大的围岩变形使得巷道的支护变得异常艰难，前方掘进，而后方不断返修，甚至部分地段围岩破碎冒顶事故频发，严重阻碍了煤矿的安全高效生产。

2) 顶板岩层自重应力较大。根据施工方案的相关技术标准，此北翼回风大巷的水平标高为+400 m，意味着其掘进的深度距离地表达到700 m，属于深部煤矿开采，其最明显的特征就是垂直应力较大；同时，根据静水压力理论，围岩水平应力更高，所以，此时巷道处于高应力作用区域，极易引起左右两侧帮和上下顶底板的变形。倘使采用的支护方案不合理，必然会使得巷道失去使用功能。

3) 大巷周围岩体强度较弱。根据前述岩石试件物理力学试验测定结果可以得知，回风大巷周围岩体，特别是顶板岩层的强度较低，所以在受到高应力作用下，其周围产生的松散破碎区(即松动圈)范围会十分巨大，破碎松散的围岩会对支护效果产生很大的影响。巷道使用前期采用的U型钢支护形式强度较大，支护结构与巷道围岩之间无法形成均匀的受力接触，从而使得两者之间夹杂不同规则的缝隙，相互作用关系不紧密，支架结构在支护初期无法发挥作用，仅仅靠周围岩体中打设的锚杆维护断面形状很难阻止松散破碎带的扩展。

3 巷道支护设计[3-4]

支护方式最终确定为“长锚杆顶锚索不对称联合支护”。

3.1 一次支护设计采用锚杆支护方式

1)锚杆及锚固剂。锚杆采用Φ22×3 000 mm型，巷道下帮肩部锚杆矩形布置间排距为650 mm×750 mm，巷道上帮肩部锚杆矩形布置间排距为750 mm×750 mm，巷道两帮锚杆矩形布置间排距750 mm×750 mm。其中，接近底板下帮锚杆下扎45°，上帮锚杆下扎30°。锚杆外露长度50 mm，每根锚杆配2卷中速Z2350树脂锚固剂加长锚固，托盘采用150 mm×150 mm的正方形8 mm厚钢板压制成弧形，锚杆均采用配套标准螺母紧固，每根锚杆锚固力不小于12 t。加大锚杆预紧力起到主动支护的效果，预紧力应达到3 t～5 t。

2)网片设计采用钢丝网，网要压茬连接，搭接不小于100 mm，相邻两块网片之间用10号铁丝相连接，连接点布置均匀，间距200 mm。

3)喷射混凝土采用普通硅酸盐水泥，砂为纯净的中砂，石子颗粒直径为5 mm～10 mm。喷射混凝土设计抗压强度为C20，配合比为m(水泥)∶m(砂)∶m(石子)=1∶2∶2。速凝剂型号为J85型，掺入量为水泥重量的2.0%～3.5%，喷射厚度为150 mm。

3.2 二次支护方式

二次支护采用“锚索+W型钢带”加强支护，必要时增加桁架支护。

锚索参数：Φ17.88 mm×6 300 mm锚索(钢铰线)，锚固长度1 500 mm，锚固力应达到300 kN。

布置方式：锚索滞后迎面20 m全断面打锚索，间排距1 500 mm×1 500 mm。

桁架暂考虑用“W”钢带，沿巷道纵向布置。

此开拓巷道锚杆锚索支护示意图如图1所示。

图1 锚杆锚索支护示意图

4 矿业观测

1) 顶板离层情况

巷道开挖后要对巷道顶板的离层情况进行监测，该矿选用尤洛卡公司生产的顶板离层指示仪，该仪器有2个深部和1个浅部共计3个基点，因此可以监测锚杆锚固范围和锚杆锚固范围外顶板的离层情况。对开挖的巷道离层情况实施监测，可以随时知道巷道顶板的相关情况，以确保巷道的绝对安全。开拓巷道为全岩巷道，工作面采用炮掘方式。为了防止放炮后崩落的飞石损伤仪器，离层仪的安装要离掘进工作面15 m，共安装了1号和2号2个顶板离层仪，对顶板离层仪的监测数据每天收集1次。1号和2号顶板离层仪安装好后，对2个顶板离层仪进行1个月的监测，定期从仪器采集仪里收集数据，将获得的数据绘图整理，如第122页图2所示。

由图2可知，浅部的2.5 m处的基点是在锚杆锚固范围，而6 m和4 m处的深部基点是在锚索的锚固范围，1号浅部基点最终出现7 mm的变形，2号浅部基点最终出现12 mm的变形。浅部变形基本处于7 mm～12 mm，说明在锚杆锚固范围内巷道顶板出现了少量的离层；2个深部基点变形趋势及变形量基本保持一致，说明巷道顶板处于锚杆和锚索锚固范围内的岩层并未出现明显的离层现象。从整体效果来看，锚杆(索)配合高强度钢筋网加喷射混凝土支护方式能够有效控制巷道周边围岩的变形，巷道整体维护良好[5]。

2) 锚索应力测量

锚杆应力的监测可以采用FCH2G/1矿用本安型手持采集器。当被测锚杆内部发生应力变化时，锚杆应力计同时受到拉伸或者压缩，应力传感器可以收集到锚杆应力的变化情况，此时产生一个电信号，通过变送器将电信号转化为压力数值，从而可以知道锚杆体内的受力情况。锚索应力数据分析曲线如图3所示。

图2 顶板离层仪变形曲线图

5 结论

1) 通过对巷道顶板离层情况的监测，锚杆锚固范围内巷道顶板出现了少量的离层。2个深部基点变形趋势及变形量基本保持一致，说明巷道顶板处于锚杆和锚索锚固范围内的岩层并未出现明显的离层现象。从整体效果来看，锚杆(索)配合高强度钢筋网加喷射混凝土支护方式能够有效控制巷道周边围岩的变形，巷道整体维护良好。通过对锚杆(索)受力状态的监测，锚杆及锚索支护很好地维护了巷道的变形，围岩变形量始终处于可控状态。顶部锚索拉应力大于顶部锚杆，说明锚索承载能力更强。顶部锚杆拉应力大于左右两肩部的应力，说明顶板相比两帮围岩的变形更加强烈，更需要加强支护。

2) 在利用改进技术措施之后，巷道每掘进1 m可以减少成本约6 061元，通过现场分析200 m的利用改进技术措施之后的巷道，该段节约成本约121万元。原设计该段回风大巷总长870 m，在采取改进支护结构以及巷道规格等技术措施之后可以节约最少528万元的成本。可见，此次研究方案拥有相当显著的经济效益。

图3 应力数据分析曲线

[1] 贾后省,朱乾坤,赵希栋.深井巷道围岩分次控制原理与强力支护技术[J].煤炭科学技术,2015，43(10):29-33.

[2] 肖福坤,孙豁然.深井巷道围岩稳定性分析[J].中国矿业,2008，17(5):97-99.

[3] 冯林杨,邢德恩,马洼.深井巷道支护技术应用研究[J].山东煤炭科技,2012(2):119-120.

[4] 秦忠诚,王九利,张望宝,等.深井巷道围岩支护参数的优化研究[J].煤炭技术,2016，35(7):5-7.

[5] 张兴权.煤矿深井巷道围岩变形监测与研究[J].水力采煤与管道运输,2016(3):15-19.

Research on failure mechanism and supporting technology of roadway in deep mine

HUANG Shaohua

(Shanxi Xinjing Coal Industry Co., Ltd., Yangquan Shanxi 045000, China)

Technical measures of asymmetric arrangement with long bolt and anchor cable supporting are adopted in north wing with return air roadway, in which through the bolt supporting for the first time, and then by way of combined supporting of anchor cable together with W steel belt at the second time. Through the site construction, monitoring, roadway surrounding rock deformation control within the scope of security, it is proved that the supporting scheme is scientific and reasonable.

asymmetric; combined supporting; deformation of surrounding rock

2017-03-21

黄少华，男，1986年出生，2016年毕业于中国矿业大学，采煤助理工程师，现从事综采采煤方面工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.42

TD82

A

1004-7050(2017)04-0120-03

煤矿工程