大变形巷道支护优化效果考察分析

李 强

（汾西矿业集团公司贺西煤矿， 山西 柳林 033300）

1 工程背景

某矿井西回风大巷设计总长770.9 m，其中风井井筒以276°9′11″方位向西平巷施工147.1 m后变为15°下山施工53.5 m，然后再变为平施工570.26 m。根据风井井检孔综合柱状图西回风大巷位于-426.5 m水平位置，布置在厚度为20.39 m的中粒砂岩中，上部是厚度为8.4 m的细粒砂岩，下部是厚度为9.31 m的“二-1”煤，中间有厚度为1.02 m的夹矸。

西回风大巷受区域滑动构造及井田内大的逆断层的影响，井田内大的靳寨逆断层距离西回风井大约750 m左右，巷道主要受构造应力影响。逆断层是地震构造中断层的一种，为上盘上升，下盘相对下降的断层，主要由水平挤压而形成[1-2]。从现场掘进揭露情况来看巷道围岩受区域地质构造影响，岩体松软破碎，节理、层理发育明显，岩面呈镜面有明显的滑动迹象，存在小的断层、褶皱等地质构造[3]。最终导致巷道掘进后巷道变形严重，不到一个月巷道顶板和两帮变形达到500～600 mm，底臌量大，支护维护非常困难，前掘后修，局部冒顶问题不断出现，严重影响进度和安全生产。表明该区域以水平应力为主，应力场呈现为构造应力场型[4]。

2 巷道支护优化设计

2.1 支护方案确定

结合巷道围岩地质参数并结合理论计算，回风大巷采用支护参数确定：锚杆采用MSGLD-335/22×3000等强螺纹钢式树脂锚杆，2卷Z2350型中速树脂药卷加长锚固，间排距750 mm×750 mm，采用150 mm×150 mm的托盘。锚索采用Φ17.8 mm×6300 mm的钢绞线，间排距1500 mm×1500 mm，每排3根。单根锚索配4根Z2350型中速树脂药卷加长锚固，托盘采用15 mm厚钢板，规格300 mm×300 mm。

2.2 支护方案优化

针对滑动破碎围岩巷道非对称变形特征，对理论计算出的支护参数进行优化，加强巷道下帮肩部浅部围岩及底臌量的控制措施。通过减少巷道下帮锚杆间距，采用刚度较大的底角锚杆对底板易破坏等关键部位加强支护，转移底臌塑性滑移作用力，减小底臌分力。支护方式最终确定为“长锚杆顶锚索不对称联合支护”，其不对称体现在左右两帮的锚杆及左右两侧底脚锚杆的参数不对称[5]。

优化后西回风大巷仍采用直墙半圆拱断面，断面设计预留了一定的变形量巷道规格调整为净宽5100 mm，净高 4350 mm，墙高 1800 mm，喷砼厚150 mm，基础100 mm。巷道水沟设计规格：净断面400 mm×400 mm，壁厚100 m，铺底100 mm。

2.2.1 一次支护参数设计

一次支护设计采用锚杆支护方式，利用锚网喷支护保护巷道浅部围岩（松动圈范围内的围岩）。针对围岩破碎层理发育，巷道成型差，巷道开挖后，先打临时锚杆控制围岩，再喷射混凝土封闭围岩（初喷）找平，为铺设金属网创造条件，然后施加预应力锚杆，实施主动支护，通过预紧力使锚喷网耦合作用于巷道浅部围岩，最后再进行第二次喷浆。如此巷道浅部围岩就开挖后的二维受力状态变成三维受力状态，从而了避免松动圈范围扩大，使锚杆、网和围岩相互作用形成承载拱，适时保护了巷道的浅部围岩。

2.2.2 二次支护参数设计

锚网喷施工支护后，在巷道的关键部位（顶部和左右肩窝），通过施加预紧力锚索，调动深部围岩强度，将锚杆、网和围岩相互作用形成承载拱牢固的锚固在巷道深部稳定的围岩上，控制好巷道顶板。二次支护方式：“锚索+W型钢带”加强支护，必要时采用珩架支护。

锚索参数：Φ17.88 mm×6300 mm锚索（钢铰线），锚固长度1500 mm，锚固力300 kN。

布置方式：锚索滞后迎面20 m，只在拱部布置，间排距1500 mm×1500 mm。

3 现场支护效果考察

根据试验巷道围岩变形量的大小、顶板离层情况、锚杆（索）受力状态等信息数据的反馈，对支护效果进行评价并根据观测数据适时的调整巷道支护参数以及合理的支护时间。为此，在距离风井约276.6～476.6 m处进行距离为200 m的工程试验巷道，并进行了为期90 d的巷道围岩变形监测、巷道松动圈测试、顶板离层状态监测和锚杆（索）受力状态监测。

3.1 测点布置

测点应在距掘进工作面3～4 m范围内安设，为了避免受放炮及喷砼影响，在巷道顶部、肩部、帮部打0.6～0.8 m深的钻孔，安设一根1 m锚杆并用半卷锚固剂进行锚固，使测点坚固稳定不能脱落，基本不受现场放炮影响，底板以轨道面为准进行监测。

3.2 1号测点巷道变形观测结果分析

1号测点布置时间为2月22号，到4月15号累计观测46天，布置时距迎头2～3 m，距离风井360 m。由于巷道排矸影响，帮部点于2012.3.9开始布置；移耙矸机后开始布置底部测点并以轨道面为准，底部测点也于2012.3.9开始布置并连续观测巷道底臌量。具体观测情况如图1、图2曲线图所示：

图1 西回风大巷1号测点巷道变形量曲线图

图2 西回风大巷1号测点巷道左、右肩变形量对比曲线图

1）从巷道左右肩变形量观测数据可以看出，1～10 d内受工作面开挖影响巷道变形处于剧烈变形阶段，变形量达到 114 mm，平均 11.4 mm/d；10～25 d内随着支护体承载和耦合处于变形趋缓阶段，变形量达到35 mm，平均2.3 mm/d；25 d以后支护体达到完全耦合处于稳定变形阶段，巷道左右肩变形几乎没有什么变化。在观测的46 d内肩部测点累计变形量达到154 mm。

2）从顶板下沉量观测数据可以看出，在1～10 d内处于剧烈变形阶段，变形量较大，总变形量达到65 mm，平均6.5 mm/d；10～25 d变形速度变慢处于变形趋缓阶段，变形量达到16 mm，平均1.1 mm/d。25 d以后处于稳定变形阶段，顶板下沉量几乎没有变化。在观测的46 d内顶部测点累计下沉量91 mm。

3）由于左右帮布点较晚，巷道变形已基本趋于稳定，因此巷道两帮变形量不大，观测的30 d内变形量累计达到39 mm。

4）由于井下需要拉低移耙矸机后才能布置底部测点，布置底部测点较晚，在观测的30 d内底板底臌量达到51 mm，平均1.7 mm/d。

5）从巷道左、右肩变形量对比曲线可以看出，巷道左右肩变形曲线趋于一致；巷道左肩、右肩在1～10 d都属于剧烈变形阶段，相对来说左肩变形量较大；10～25 d内左右肩都进入变形趋缓阶段左肩平均1.3 mm/d，右肩平均1.1 mm/d，变形速度趋于一致；25 d后都进入稳定变形阶段，观测的46 d内左肩总变形累计量达到81 mm，右肩总变形累积量达到73 mm，左右肩总变形量相差不大，说明改进后的不对称支护方式适应了构造应力作用下滑动破碎围岩巷道的非对称变形，起到了很好的支护效果。

3.3 2号测点巷道变形观测结果分析

2号测点布置时间为2月26号，到4月15号共累计观测42 d，布置时距迎头5 m左右，距离风井380 m。由于矸石影响，帮部点和底部测点于2012年3月14日开始布置。具体观测情况如图3、图4曲线图所示：

图3 西回风大巷2号测点巷道变形量曲线图

1）从巷道左右肩变形量观测数据可以看出，1～12 d内受工作面开挖影响巷道变形处于剧烈变形阶段，变形量达到120 mm，平均10 mm/d；12～25 d内随着支护体承载和耦合处于变形趋缓阶段，变形量达到41 mm，平均2.9 mm/d；25 d以后支护体达到完全耦合处于稳定变形阶段，巷道左右肩变形几乎没有什么变化。在观测的42 d内肩部测点累计变形量达到150 mm。

图4 西回风大巷2号测点巷道左、右肩变形量对比曲线图

2）从顶板下沉量观测数据可以看出，在1～10 d内处于剧烈变形阶段，变形量较大，总变形量达到47 mm，平均4.7 mm/d；10～25 d变形速度变慢处于变形趋缓阶段，变形量达到12 mm，平均0.8 mm/d。25 d以后处于稳定变形阶段，顶板下沉量几乎没有变化。在观测的42 d内顶部测点累计下沉量78 mm。

3）由于左右帮布点较晚，巷道变形已基本趋于稳定，因此巷道两帮变形量不大，观测的25 d内变形量累计达到50 mm，平均2 mm/d。

4）由于井下需要拉低移耙矸机后才能布置底部测点，布置底部测点较晚，在观测的25 d内底板底臌量达到58 mm，平均2.3 mm/d。

5）从巷道左、右肩变形量对比曲线可以看出，巷道左、右肩变形曲线趋于一致；巷道左肩、右肩在1～12 d都处于剧烈变形阶段，左肩相对变形量较大；12～25 d内左右肩都进入变形趋缓阶段左肩平均0.9 mm/d，右肩平均0.9 mm/d，变形速度趋于一致；25 d后都进入稳定变形阶段，观测的42 d内左肩总变形累计量达到83 mm，右肩总变形累积量达到67 mm，左右肩总变形量相差不大，说明改进后的不对称支护方式起到了很好的支护效果。

4 结论

通过现场工业性试验，得到如下结论：

1）巷道开挖后1～10d处于变形剧烈阶段，10～25 d处于变形趋缓阶段，25 d以后逐渐进入稳定变形阶段。

2）改进后的支护方案巷道围岩松动圈内岩体的破碎程度明显好转，浅部围岩得到了很好的控制，增强了岩体的整体承载能力。

3）巷道顶部锚索和锚索锚杆之间没有明显离层现象发生，在锚杆控制的范围之内有约12 mm的离层现象发生，能够达到设计要求。

4）改进后的巷道布置和支护方式，能够适应滑动破碎围岩等地质条件下巷道支护，能保证巷道的安全使用。

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[2]谢福星.大采高沿空掘巷小煤柱稳定性分析及合理尺寸研究[D].太原：太原理工大学，2010.

[3]王琳，李树刚.沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定[J].煤炭技术，2013，32（3）：86-88.

[4]梁兴旺，王连国.沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定[J].矿业研究与开发，2007，27（2）：29-31.

[5]齐中立，柏建彪.沿空掘巷窄煤柱合理宽度研究与应用[J].能源技术与管理，2009（2）：10-12.