复杂地质条件下掘进巷道支护参数优化研究及应用

吴 建 红

（山煤集团煤业管理有限公司晋北分公司，山西 大同 037100）

0 引 言

巷道在掘进过程中不可避免地需穿越断层破碎带等复杂地质构造区域[1-2]。复杂地质构造区内巷道围岩控制一直是矿业界和岩石力学界研究的焦点[3-5]。复杂地质构造区巷道在破碎围岩和强烈构造应力的双重作用下，巷道极易发生大变形并导致支护结构失稳破坏，可能引发冒顶、片帮等事故，严重制约着巷道掘进速度，并给巷道围岩与支护结构的长期稳定和安全带来了巨大威胁[6-8]。对此，曹健采取“加密锚杆+架棚”的支护措施有效控制过断层巷道的破碎顶板及两帮变形[9]。武志龙采用“注浆预加固+锚网索+W 钢带+矿工钢+水泥背板”的过断层破碎带支护方案，有效控制了巷道变形，为快速掘进提供了保障[10]。本文基于上述研究，以韩家洼煤矿22205 运输顺槽过复杂地质构造区域为研究对象，通过对原支护参数进行优化，有效控制了复杂地质构造区域内巷道围岩变形，为巷道快速掘进提供了指导。

1 工程概况

韩家洼煤矿22205 综采工作面位于22 号二采区层中北部，南部为二采区3 条主要巷道（二采区轨道巷、二采区运输巷、二采区回风巷）；西部为原韩家洼采空区；东部22203 工作面采空区，有30 m 的煤柱；北部为矿界。工作面煤层平均煤厚度为11.5 m，顶板自下而上依次为2.3 m 粉砂岩，5.7 m 砂质泥岩和8.8m 中粒砂岩，底板为砂质泥岩。

图1 22205 运输顺槽过破碎带冒顶后支护方案

22205 运输顺槽为矩形断面，断面尺寸为宽×高=4 500 mm×3 000 mm。巷道顶板采用锚网索钢带联合支护形式，钢带间距1 000 mm，锚杆间距800 mm，顶板2 排锚索，锚索间距2 400 mm，排距2 000 mm。工作面巷帮为尼龙网+玻璃钢锚杆联合支护，煤柱帮为金属网+ 金属锚杆联合支护，锚杆间排距800 mm×1 000 mm。受地质构造的影响，22205 运输顺槽顶板破碎严重，顶板煤层节理发育并伴有小断层，在掘进期间已多次出现破碎顶板伴随夹矸大面积垮落，导致巷道出现不同程度超高（如图1 所示），严重影响了巷道快速掘进和矿井正常安全生产。

2 巷道支护设计基本原则

对巷道进行支护时，在充分发挥围岩的自身承载能力的同时，形成对巷道围岩的主动支护更有利于维护巷道稳定；因此，在对巷道进行主动支护时应遵循以下原则：

首先，采用锚杆支护时应尽可能在一次支护时就对围岩形成有效控制，从而避免二次支护，即应遵循一次支护原则；其次，锚杆支护时施加高预应力是形成主动支护的必要条件，且只有在施加较高预应力时，才能使锚杆支护作用得以充分发挥，即应遵循高预应力原则；再次，在采用锚杆对巷道支护时，应尽可能提高所用锚杆的强度、刚度和可靠性，同时降低所用锚杆密度，即应遵循“三高一低”原则；此外，所采用的锚杆强度和刚度应大于临界值，同时确保所用锚杆与其配件（托板和螺母等）相互匹配，即应遵循临界支护强度和相互匹配原则；最后，应确保所采用的锚杆在井下方便操作和管理，即应遵循可操作性原则等。

3 掘进巷道支护设计方案及参数

为了防止22205 运输顺槽掘进过程中冒顶事故的继续发生，结合现场地质勘查资料，提出对22205运输顺槽里程235~240 m 的顶板破碎段采用“超前钢管临时支护+预应力长短锚索”的联合支护技术。

3.1 主要支护技术参数

超前钢管临时支护使用40 mm 钢管制作，钢管长2 000 mm，钢管仰角30°，间距为200 mm。过破碎带掘进循环进尺0.8 m，最大控顶距1.0 m，最小控顶距0.2 m。掘进机割煤采用往复式截割，截割时将截割头调至巷道中，由巷道右下角开口进刀，先割出槽窝，然后由下向上进行截割，进刀深度以0.4 m 为宜。

当22205 运输顺槽采用超前临时支护掘出后，立即采用锚网索联合支护方式作为永久支护。其中，巷道顶板采用“长短锚索协同支护”技术方案，短锚索的规格为φ17.8 mm×6 300 mm，每排4 根短锚索；长锚索的规格为φ17.8 mm×11 800 mm，每排2 根长锚索；锚索使用3 根MSK2360 树脂锚固剂进行锚固，每根锚索的预应力均不小于130 kN，锚固力不小于200 kN。巷道两帮采用φ18 mm×2 200 mm 高强螺纹钢锚杆，间排距900 m×800 m；锚杆托盘规格为150mm×150 mm×10 mm；每根锚杆使用MSCK2335与MSK2360 锚固剂各1 条，锚杆扭矩不小于120 N·m，抗拔力为60 kN；钢带采用220 mm×4 mm×4 300 mm 的W 钢带，支护方案及参数见图3、图4。

图2 22205 运输顺槽超前钢管支护方案图

图3 22205 运输顺槽预应力长短锚索协同支护方案图

3.2 破碎带及高冒区加强支护方案

依现场实际情况，在巷道高冒区、两帮漏空、破碎严重等处，需在上述方案基础上进一步采取加强支护措施。对于巷道顶部冒落处，首先使用锚网对冒落后顶部进行支护，锚杆间排距600 mm×600 mm 布置，规格为φ18 mm×2 200 mm 螺纹钢锚杆。然后垂直于巷道架设5 根锚索梁，锚索梁由1 根11 号矿用工字钢及3 根锚索组成（如巷道顶部冒落严重中部不具备打设锚索条件时，使用2 根锚索在钢梁两端进行固定，锚索打设时分别向巷道两帮倾斜45°）。工字钢长度为4 500 mm，锚索间距为2 000 mm，排距为1500 mm。锚索规格φ17.8 mm×11 800 mm 钢绞线，托板规格300 mm×300 mm×12 mm。锚索梁上部使用长度不小于1 200 mm 的方木，采用井型木垛的方式与顶板充分接实，木垛上部用风筒布盖住冒落区，防止碎渣掉落。

在巷道超高段，两帮增加1 排帮锚杆，确保帮部最下1 根锚杆距底板不得超过900 mm，东帮使用φ14mm×（2 000~3 000 mm）钢筋钢带进行加强支护，钢筋钢带紧贴巷道煤壁。在巷道两帮漏空、破碎严重处，两帮各需补打1 根锚索进行加强支护，距顶板1m 处施工锚索，锚索采用φ17.8 mm×6 300 mm，托盘采用300 mm×300 mm×12 mm，每根锚索使用3根MSK2360 树脂锚固剂。锚索预紧力不得小于130kN，锚索锚固力不小于200 kN。

4 工业性试验

为了监测22205 运输顺槽过构造破碎带巷道支护效果，采用“十”字布点法，沿巷道轴向间隔0.6~1.0m，布设了2 个顶板表面位移观测断面以及2个顶板深部位移观测断面。监测结果见图4、图5。

图4 22205 运输顺槽顶板深部位移监测曲线

图5 22205 运输顺槽顶板表面位移监测曲线

从图4 中可以看到，在观测期内巷道顶板深部6m 范围内位移小于30 mm，且顶板深部位移已出现收敛。从图5 中可以看到，在观测期内1#观测点处顶板下沉量为 86 mm，2#观测点处顶板移近量为87.5mm，巷道施工完成40 d 后巷道变形量开始收敛。这表明，采用超前钢管临时支护和锚网索永久支护方案后，破碎区巷道围岩承载能力得到加强，巷道顶板变形量和变形速度得到了有效控制，巷道无漏顶、冒顶事故的发生，有力地保障了矿井的安全高效生产。

5 结束语

1）基于韩家洼煤矿22205 运输顺槽实际工程地质条件和巷道支护设计基本原则，提出了复杂地质条件下掘进巷道围岩控制的“超前钢管支护+预应力长短锚索协同支护”技术方案与参数。

2）现场实测结果表明：采用超前钢管支护+预应力长短锚索协同支护体系后，复杂地质条件下掘进巷道围岩变形明显减小，变形速度也得到了有效控制，更好的维护了巷道的稳定，为矿井安全高效生产提供了有力的保障。