玉溪煤矿巷道支护优化方案研究

祁阿成

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 沁水 048214）

1 概况

玉溪煤矿中央辅助运输大巷埋深750m左右，长度约为1507m，属于矿井永久性巷道之一，设计巷道形状为直墙半圆拱形，巷道围岩主要以砂质泥岩和粉砂岩、页岩为主，设计支护形式为锚网索喷支护。从当前巷道使用情况来看，整体出现了较大的变形破坏，虽然经过了两次返修，但在巷道返修后又出现了较大破坏，这表明需要对巷道原有支护方式进行优化，从而更好满足巷道支护的实际需求[1]。

2 大巷变形破坏特征

（1）巷道自稳时间相对较短。中央辅助运输大巷首次开掘到返修两次，每次均为从巷道暴露到出现大规模冒落的时间非常短，掘进工作面在临时支护时小型冒顶事故常发，甚至存在支护没有到位时，整个巷道的断面已经出现了明显的缩小。从巷道变形情况来看，主要为两帮首先开始收敛，然后是底板明显的鼓起，最后是顶板下沉。从现场勘查情况来看，在巷道掘进的两个月的时间内，整个断面的收敛量超过了原有断面的1/2[2]。

（2）巷道变形持续时间长。从巷道返修情况来看，在部分较为关键的位置进行了针对性的补强，但是巷道仍旧处于动态蠕变当中，表现出明显的可持续特点。

（3）围岩松动圈范围较大。为了更为深入地掌握中央辅助运输大巷变形破坏特征，在巷道部分区段选择使用钻孔摄录仪对围岩裂隙分布情况进行了观测，观测孔的深度在8m左右。从本次观测情况来看，巷道整体裂隙密度较大，这表明巷道整体破坏范围非常大，在巷道的顶板4.5m左右的位置存在次生裂隙，在巷道两帮5.9m左右的位置也存在次生裂隙，巷道底板2.8m左右的位置也存在次生裂隙。

3 大巷变形破坏机理分析

（1）巷道围岩应力较大。巷道支护设计中，受到地应力方向与大小的影响较大。使用钻孔套芯应力解除法对巷道地应力进行了测试，得到的测试结果如表1所示[3]。

表1 巷道围岩地应力测试结果表

根据表1可知，中央辅助运输大巷所处位置水平应力为第一主应力，垂直应力小于水平应力，测压系数接近1.5，且围岩所处应力相对较大，给巷道支护提出了较高的要求，这也是导致中央辅助运输大巷出现明显变形破坏的主要原因之一，在如此大的应力下，巷道围岩表现出明显的“工程软岩”特征。

（2）巷道围岩强度。将大巷围岩制作成为标准试件，使用MTS岩石伺服试验机，并结合液压式万能材料试验机等，对试件进行了三轴、单轴及劈裂试验，得到的试验结果如表2所示。

表2 巷道围岩力学试验结果

从表2可看出，巷道整体围岩性质较差，极限程度相对偏低，巷道围岩整体表现出明显的软弱情况。在巷道开挖的初期，在巷道围岩应力条件下，已经表现出明显的塑化、裂化问题，影响到巷道整体的承载能力[4]。

（3）巷道矿物成分分析。通常情况下，巷道围岩内所含的矿物成分较多，会给巷道支护带来明显的负面影响。使用D/Max-3B型X射线衍射仪对中央辅助运输大巷所采的岩样进行了矿物质分析。从分析情况来看，巷道围岩中包含有较多的珍珠陶土、高岭石及地开石，这类物质均属于膨胀性软岩成分，遇水容易出现泥化、崩解及膨胀，特别是随时间的延长，巷道围岩表现出明显的流变性与变形可持续性。

（4）巷道原支护设计不够合理。从巷道原支护设计来看，锚杆设计为Ф18×1800mm，锚索设计为Ф17.8×5300mm。但是从现场勘查情况来看，整体巷道的围岩在高应力作用下，锚杆断裂、外移情况较多，这表明锚杆支护作用并没有发挥出来，需要针对性加强锚杆支护强度。同时，锚索长度也相对较短，并没有充分发挥出深部稳定围岩对浅部围岩的限制作用。此外，在巷道原支护设计中，并没有对巷道底板进行支护，导致底板成为了巷道高应力释放的空间，底板变形量的增加，也直接导致巷道两帮和顶板围岩变形量的增加。

4 大巷返修支护方案

结合巷道变形破坏特点，设计采用“锚网索+U型钢环形支架+关键位置注浆”复合支护方案对巷道进行返修。

4.1 返修支护方案支护机理及具体方案

（1）结合巷道实际及原支护方案情况，锚杆设计为Ф22×2800mm高强度螺纹钢锚杆，相对于先前Ф18×1800mm的锚杆长度加长，有助于在巷道支护的初期形成巷道浅部稳定支护结构，有效地防止在巷道初期就出现明显的大变形破坏的情况。同时配合使用了“金属网+托盘”，再加上混凝土喷层，更好提升巷道表层支护的整体性。锚索设计采用Ф22×6300mm预应力锚索，充分调动深部稳定围岩对浅部巷道围岩的悬吊作用，实现与浅部锚杆支护体之间的协同，形成“锚杆+金属网+托盘+浅部围岩+锚索+深部围岩”所形成的复合支护结构。如图1所示。

图1 锚杆支护示意图

（2）为了更好提升支护的整体性，同时给巷道变形留有一定的空间，设计采用了U36型钢支架，U型钢支架和锚网索支护结构之间留有一定的空隙，为深部高应力巷道的变形留有一定的空间，实现“让抗适度”的支护效果。随着U型钢支架变形的不断增加，其提供的支护阻力也在持续增加，实现“高阻让压”的支护效果，这与当前深部巷道支护实践是相符的，如图2所示。

图2 U型钢支护和锚索支护图

（3）考虑到本次巷道底板变形较大的实际，结合巷道底板与两帮的底部有明显的涌水现象，在底板设计了注浆加固，实现对底板“水道”的有效封堵，更好提升底板支护效果，如图3所示。

图3 巷道底板支护+注浆支护示意图

4.2 巷道返修效果

选择使用“十字交叉法”对巷道返修情况进行了监测，得到了图4。可以看出，巷道围岩整体取得了较好的控制效果，能够满足实际生产需求。

图4 巷道返修后变形图

5 结束语

（1）从深部巷道支护实际来看，“锚网索喷”等传统的巷道支护方案，在深部巷道支护中表现出明显的不适应性，这就需要支护设计过程中，充分考虑深部巷道支护实际特点，结合实际，设计出符合深部巷道围岩控制特点的支护方案。

（2）深部巷道支护过程中，应秉持“让抗并重、先让后抗”的支护理念，充分调动围岩的自稳能力，才能更好地保证巷道支护效果。