复杂地质条件下的掘进支护技术及应用

王 强

（山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿，山西 长治 046000）

煤炭是重要的经济能源，对于推动我国社会经济的发展起到了至关重要的作用，随着常年累积开采，浅部及地质条件简单区域的煤炭资源基本被开采殆尽，为了提高煤炭产量，开采复杂地质条件下煤炭资源是必然的趋势。复杂地质条件不仅增加了开采难度，而且给煤矿掘进作业带来一定的安全隐患。因此，提高效率、保证安全是掘进阶段面临的技术难题。本文基于常村矿复杂地质条件下的煤矿掘进支护技术分析，为矿井的实际掘进生产提供依据。

1 工程背景

常村矿所采3#煤层位于山西组的中、下部，煤层赋存稳定，煤层均厚5.85m，煤层倾角0～7°，煤体容重1.4t/m3，埋藏深度为453.2～517.7m之间。

随着矿井采深增加，地应力对矿井围岩影响较浅部更加明显，给掘进作业造成困难。在复杂地质条件地区作业，受采动应力影响，巷道围岩很容易发生破碎变形，进而造成作业空间收缩，增加巷道作业安全风险。同时部分区域存在断层等结构，在掘进应力的作用下，断层附近围岩裂隙更加发育，导致顶板压力增大，造成巷道维修频率增加。

在常村矿西南区域广泛分布陷落柱和断层，而且部分断层落差较大，当下矿井该区域正进行S3-13工作面的布置。在掘进作业过程中，多次遇到断层和陷落柱等多种地质构造，其中断层影响较大，最大落差3.2m，且掘进过程中工作面顶底板硬度较低，尤其在断层附近区域，极易发生变形破坏，对掘进工作十分不利，降低了正常掘进效率。原巷道初设支护方式在不同地质条件下，支护参数基本相同，导致掘巷期间巷道变形无法有效控制，因此在复杂地质条件下进行掘进支护研究十分必要。

2 复杂地质条件下的掘进支护技术

S3-13回风巷掘进设计长度500m，采用综掘机进行巷道掘进。

2.1 直接破顶支护方式

当围岩普氏系数大于5，断层落差不小于2m时，掘进机可以直接对断层顶部进行破断，去除破碎区域，然后再进行锚网索的支护，可进一步提高巷道的自承载能力。

S3-13回风巷掘进工作面煤岩体普氏系数平均为3.8，多次遇到断层，其中落差最大2.8m，最小0.4m，平均约为1.2m。

针对落差较小断层区域，掘进机直接破岩通过，正常支护；而断层落差较大区域，针对前述分析，除巷道破顶之外，由于煤岩体较软，自承载能力有限，除以上破碎区域采用的锚网索支护外，还需要进行加强支护。主要形式为“螺纹钢锚杆+锚索+钢筋骨架网+槽钢/U型钢锚索梁+W钢带”，其中顶板锚杆Φ18×2100mm，锚索Φ17.8×6500mm，钢筋骨架网1000×2000mm，槽钢120×60×2400mm，W钢带3×230×4000mm，U型钢120×60×2400mm，均采用“三八式”布置。其中回风巷道支护断面具体如图1所示。

图1 直接破顶巷道支护

2.2 后退卧底支护方式

在巷道掘进中，会遇到部分断层发育区域出现断层下移的情况，当断层落差在2.5m以内，且巷道顶板完整性较好时，可利用锚网索进行巷道围岩的加强支护，提高巷道围岩强度。如图2所示。

此时，掘进机应滞后支护位置约16m，以保障支护作业的安全正常进行。另外，当掘进机作业面坡度小于实际土坡坡度时，掘进机借助不大于10°的载坡进行后退卧底作业，进而确保巷道高度达到设计标准。如图3所示。

2.3 U型钢临时性支护方式

在断层落差过大时，由于断层区域围岩受到多次摩擦挤压，岩性破碎，掘进通过时需要进行临时性支护。临时性支护应采用U型钢协同锚杆对顶板围岩进行支护，提高围岩锚杆区的整体性。需要注意的是，除了进行临时支护外，还需要结合锚杆索等其他措施对围岩进行深层加固，具体如图4所示。其中U型钢采用型号U36，间距650m，梁腿搭接长度500mm，顶梁搭接1000mm，顶部4套、帮部各3套卡缆；相邻支架之间顶部2套、帮部各2套拉板；顶帮锚杆为Φ18 mm×2400mm、间排距800mm×600mm左旋螺纹钢锚杆。

图2 后退卧底方式巷道支护

图3 后退卧底方式过断层

3 结语

基于掘进工作面的实际地质条件，区分不同情况，采用直接破顶支护方式、后退卧底支护方式和U型钢临时支护方式支护顶板。通过上述掘进支护技术的应用，在巷道掘进初始阶段，巷道围岩变形比较强烈，以顶板变形最为突出，尤其是U型钢临时支护方式中，在0～10d内，巷道变形占据巷道总变形的1/2左右，往后一个月内，变形趋于稳定，其中顶底板围岩变形平均维持在113.82mm，两帮变形量平均为75.12mm，较矿井原始支护技术分别减小了38.13mm和21.74mm，效果较为明显。