南关煤业受动压影响巷道钢管混凝土支架支护应用研究

郝志军，王西林，何晓升，单仁亮

(1.山西汾西矿业(集团)有限责任公司，山西 介休 032000；2.山西大同大学，山西 大同 037000；3.中国矿业大学(北京)，北京 100083)

巷道支护的目的在于维护开挖空间的稳定性，保证巷道功能的实现。为采区服务的准备巷道一般服务年限在十年以上，且受到附近工作面回采的采动影响，若巷道围岩软弱破碎或原岩应力较大，则巷道易发生流变变形，难以维持巷道的长期稳定[1-7]。

汾西矿业(集团)公司南关煤业三采区西翼轨道巷、西翼皮带巷和西翼回风巷服务于三采区工作面回采以及未来的五采区工作面回采。巷道服务年限长，三条大巷围岩持续变形始终困扰着该矿的煤炭生产。虽经历多次返修，巷道围岩流变仍难以控制，截至2018年12月，三条大巷因不满足使用要求而需要刷扩返修的巷道总长度约为3000m，巷道维修任务量很大。

钢管混凝土支架具有承载能力大，延性好且便于安装的特点。近年来，在一些软岩巷道、断层破碎区巷道和动压巷道支护中发挥了良好的应用效果[8-15]。

在分析巷道围岩条件、原岩应力条件和原有支护变形特征的基础上，提出了基于钢管混凝土支架的复合支护方案，并在3209工作面动压影响区域进行了现场试验。本文在理论分析的基础上，论述了钢管混凝土支架方案设计及应用效果，希望能为地质条件相近的巷道支护提供有益借鉴。

1 工程概况

1.1 地质概况

南关煤业西翼运输巷、西翼轨道巷和西翼回风巷三条下山平行布置，沿2#煤层顶板掘进，巷道埋深为500～560m。2#煤顶底板岩性见表1。

表1 巷道顶底板岩性

1.2 原岩应力情况

南关煤业井田区域内断层较多，为了解三采区原岩应力状况，分别在3201材巷和西翼回风巷采用钻孔套芯应力解除法进行原岩应力测量。地应力测试空心包体应力计安装情况见表2，地应力测试结果见表3。

由空心包体应力计安装情况可知，3201材料巷31°孔和西翼回风巷14°孔所安装应力计处于泥岩中，泥岩在打钻过程中易破裂松动，产生较大的应力重分布，因此舍弃这两个孔的测试结果。

表2 空心包体应力计安装情况

原岩应力测量结果表明水平应力大于垂直应力，最大主应力为水平应力，水平应力的方向为43°～95°，最大水平主应力为垂直应力的1.90～2.50倍，由于水平地应力造成的矿压显现向顶底板转移，巷道顶底板变形量大于两帮收缩量。最大水平应力、最小水平应力、垂直应力以及三者之间的关系见表3。

表3 地应力测试结果

2 巷道原有支护情况及变形特征

以南关煤业具有代表性的西翼轨道(巷道里程1320～1414m段)为例，分析巷道原有支护条件下的变形情况。该段巷道使用“36U型钢支架+锚网喷”联合支护，支护强度较高，巷道受工作面回采动压影响，与回采工作面停采线平距为133.5m，巷道流变变形量较大。三条大巷保护煤柱宽度为80m，与工作面临近的大巷受采动影响最大，支护难度最大。

2.1 原有巷道支护情况

西翼轨道巷里程1320～1414m段于2014年10月进行返修，支护采取锚网喷+马蹄形36U型钢支架联合支护。巷道支护断面如图1所示。

具体参数如下：

锚杆选取型号为∅20mm×2400mm的螺纹钢锚杆，间排距为800mm×800mm。

锚索选用规格为∅17.8mm×6000mm钢铰线，顶锚索布置3根，间排距为1600mm×1600mm。

巷道全断面挂钢筋网，采用直径6.5mm圆钢加工，网格为100mm×100mm，搭接长度为100mm。

锚筋网支护后，进行全断面初喷，初喷厚度为30～50mm，复喷70～50mm，喷射混凝土厚度为100mm，喷射混凝土强度等级为C20。复喷后架设36U型钢支架，支架安装滞后复喷10m以内 。

36U型钢支架间距为1m，支架结构为6段式，相邻各节以卡兰搭接，每处搭接长度为0.5m。

图1 西翼轨道巷支护断面图(mm)

2.2 巷道变形特征

截至2018年10月，巷道宽度收缩0.4m，高度收缩1.2m，U型棚扭曲变形。

2.3 巷道变形原因分析

巷道变形原因分析如下：①高构造地应力。区域内构造较多，根据地应力测试结果，水平应力约为自重应力的两倍，巷道顶底板移近量高于两帮移近量；②煤层强度低。煤层单轴抗压强度仅为10MPa，约为原岩最打应力的2/3，约为巷道开挖后应力重分布区域内理论应力峰值的1/3，在高应力环境下，巷道两帮煤壁极易发生破坏；③巷道未受采动影响期间，巷道围岩呈缓慢流变状态，累计顶底移近量约为660mm，说明巷道支护强度不足，难以维持巷道围岩的长期稳定；④巷道受到3211工作面回采动压影响，3211工作面终采线与该段巷道平距为133.5m，2017年8月3211工作面回采完毕。工作面回采过程中，围岩变形速度较快，回采动压影响期间累计顶底板移近量约为540mm。

3 巷道围岩变形机理与控制对策

巷道开挖后，未支护情况下，围岩压力大于岩石的极限强度，围岩变形速度快，巷道围岩切向应力峰值向围岩内部转移，巷道壁处围岩压力降低，有利于巷道稳定。随着塑性变形的继续发展，开挖空间内的围岩塌落，形成松散岩体，对支护体产生松动压力，松动压力的升高不利于巷道稳定。因此，巷道支护过程中，应当使支护体具有一定的让压变形能力，同时还应提供较大支护反力。南关煤业西翼三条大巷已经历多次返修，围岩破碎松散，巷道变形以“有害变形”为主。

南关煤业西翼三条大巷围岩变形以长期流变变形为主，动压影响期间巷道变形速度较大，无回采扰动影响时，围岩变形速度较小。巷道变形速率特征表明，岩石处于强度极限邻域内。

所谓岩石强度极限邻域，是对岩石应力状态而言的，在简单的压(拉、剪)应力状态下，岩石具有一个强度极限值σ0，依据一定条件给定一个Δσ，如果岩石的应力σ满足于：

|σ0-σ|≤Δσ

则称岩石处于强度极限邻域内，Δσ称之应力强度极限邻域的宽度，简称为邻域宽度，Δσ代表了岩石强度极限邻域的范围。

使围岩脱离强度极限邻域的方法是增强围岩强度极限值，增大围岩强度和岩石应力的差值，支护体的支护力对巷道围岩产生径向约束，在径向约束状态下，提高了处于三轴应力状态下围岩的σ3，提高岩体的长期强度σS和岩石极限强度σ1。支护力越大，对岩体的长期强度和极限强度提高就越大。当支护强度提高到一定值以后，围岩便能够脱离强度极限邻域，巷道流变便得到了控制。

提高围岩强度的主要技术方法：根据实验室测试结果可知，相同断面的∅194mm×8mm(支架主体线密度36kg/m)钢管混凝土支架承载力是36U型钢支架承载力的2.65倍[16]。因此，采用钢管混凝土支架支护可有效提高大变形巷道支护体支护强度。建议采用基于钢管混凝土支架的复合支护进行巷道返修。

4 巷道支护设计与支护效果分析

由于西翼三条大巷需要刷扩返修的巷道总长度约为3000m，巷道返修人力物力投入大，南关煤业急需寻求一种能够维持西翼三条大巷巷道动压影响区域围岩稳定的支护形式。

为验证各种支护对策支护效果，选取3209工作面附近的西翼回风巷为试验段。选取该段作为试验段的原因如下：①3209工作面于2019年9月17日进行回采，预计2020年6月末结束，可在动压影响前完成试验段返修加固，监测回采动压试验段巷道的围岩变形情况；②该试验段与工作面平距最近，受动压影响最大，若能够保持该段巷道围岩在回采动压期间的围岩稳定，则可判定这种支护形式满足使用要求，可推广至三条大巷返修支护中；③该段巷道足够长，矿方决定分别采用3种巷道返修加固方式(基于钢管混凝土支架的复合支护段；全断面锚索支护段；全断面锚索+注浆加固支护段)，进行现场对比实验。试验段位置如图3所示。

图2 巷道位置

4.1 钢管混凝土支架支护段支护设计

西翼回风巷钢管混凝土支架支护段支护参数如下：①锚杆选取型号为∅20mm×2400mm的螺纹钢锚杆，间排距为800mm×800mm；②锚索选用规格为∅17.8mm×6000mm钢铰线，顶锚索布置5根，间排距为1600mm×1600mm；③锚网支护后，进行全断面初喷，初喷厚度为30～50mm，复喷70～50mm，喷浆厚度为100mm，喷射混凝土强度等级为C20；④钢管混凝土支架主体钢管型号为 ∅194mm×8mm，支架间距0.8m。支架壁后铺∅3宾格网，以水泥背板接顶密实。

试验段钢管混凝土支架支护断面如图3所示。试验段于2020年4月20日施工完毕，此时3209回采工作面距离西翼回风巷平距200m。

图3 试验段钢管混凝土支架支护断面(mm)

4.2 “全断面锚索+围岩注浆”加固支护设计

由于巷道围岩破碎，自稳能力差，为提高围岩的自稳能力和锚索支护效果，围岩注浆加固段拟采用围岩注浆加固和锚网索加强护岩的手段加固该段巷道。

围岩注浆加固段支护参数如下：①锚索选用规格为∅17.8mm×6000mm钢铰线，全断面锚索支护，间排距为800mm×800mm；②锚索配300mm×300mm×16mm托板，沿垂直于巷道轴线的断面方向，锚索间以W钢带相连，W钢带内铺宾格网，增强支护体的整体性。③使用注浆锚索对该段巷道进行围岩注浆加固，采用水泥基注浆材料，水灰比为1∶2，中空注浆锚索注浆压力不低于7MPa。

围岩注浆加固2020年4月26日施工完毕。全断面锚索支护试验段相比而言只是不进行注浆加固。

4.3 变形监测与效果分析

自2020年5月2日(回采工作面与试验段平距150m)，对实验段采用“十字布点法”监测西翼回风巷试验段巷道变形量。巷道变形监测情况如图4所示。

图4 巷道宽度方向收敛量曲线

图5 巷道高度方向收敛量曲线

其他情况说明：3209工作面5月15日(回采工作面与试验段平距103m)工作面终采，6月1日复采开始工作面末采，6月20日末采完毕。

支护效果分析：①总体而言，钢管混凝土支架支护段巷道收敛量<注浆加固巷道收敛量<未注浆加固段巷道收敛量；②截止工作面末采完成20d后，钢管混凝土支架支护段巷道最大收敛量在100mm以内，且巷道围岩变形已趋于稳定；③没有进行钢管混凝土支架支护段巷道，巷道最大收敛量大于460mm，且巷道流变变形还在持续。

综上所述，所设计的钢管混凝土支架支护能够维持动压影响下的南关煤业西翼回风巷长期稳定。

5 结 论

1)为解决南关煤业西翼三条大巷的支护问题，分析了巷道围岩条件、原岩应力条件和原有支护变形特征。

2)提出了基于钢管混凝土支架的复合支护方案，并在现场实验中与其他返修加固形式相对比。

3)根据“十字布点”监测法监测试验段巷道变形，工作面末采完成20d后，钢管混凝土支架支护段巷道最大收敛量在100mm以内，巷道围岩变形已趋于稳定。这种支护形式适用于南关煤业西翼三条动压大巷支护。