复杂条件下大断面巷道掘进支护技术研究

张妙生

(西山煤电建筑工程集团有限公司 矿建分公司，山西 太原 030024)

随着煤炭资源的不断开采，当前煤层地质条件复杂程度不断增大，煤层内构造、顶底板条件愈发复杂多变，巷道掘进施工难度增大[1-2]。同时随着矿井机械化水平的提高，井下巷道所需断面不断增大，围岩应力分布及承载情况也在不断变化，巷道支护方式需进一步优化，以保证围岩稳定性，确保后期工作面回采时正常使用[3-5]。本文以山西斜沟煤矿18505工作面胶带巷条件为基础，采用理论分析、窥视分析、矿物成分鉴定方法，对复杂条件下大断面巷道围岩控制技术进行了研究，研究结果对本矿其他相邻地质条件巷道支护技术有一定借鉴作用。

1 工程背景

斜沟煤矿18505工作面开采煤层为8号煤，煤层厚度平均为3.14 m，倾角平均为4°，埋深在160～390 m范围内，煤层结构复杂，块状条带状均有，内含1～2层泥岩夹矸，其中上层夹矸较稳定，厚度在0.1～0.3 m，下层夹矸不稳定，煤层强度f约为2～3。18505工作面胶带巷为主进风巷，断面大小为5.5 m×3.6 m，工作面顶板综合柱状图如图1所示。18505胶带巷巷道设计长度3 193 m，目前已施工199 m，施工过程中，巷道两帮片帮情况严重，严重影响了巷道掘进效率。

图1 顶板综合柱状图

2 巷道围岩变形机理分析

2.1 顶板围岩结构窥视

为研究18505胶带巷围岩变形原因，分析覆岩内部结构发育情况，采用钻孔窥视方法对工作面上覆10 m范围内岩层进行了观测，钻孔窥视图，如图2所示。

图2 钻孔窥视图

从图2中可以看出，孔内1.8 m处顶板破碎，存在空洞；孔内2.9 m处存在纵向裂隙，裂隙长度约为45 mm；孔内4.6 m、5.4 m处存在离层现象，总体来看钻孔内节理裂隙发育较多，岩层稳定性较差。基于该窥视结果可以得出，巷道顶板岩层整体稳定性较差，浅部构造发育较多。

2.2 矿物成分鉴定分析

18505胶带巷两帮为本煤层，煤层含有两层夹矸，岩性主要为砂质泥岩，对该岩体进行矿物成分鉴定，测验结果显示该岩体成分主要为蒙脱石、石英、云母、高岭石、绿泥石等，含泥量较高，并且蒙脱石含量达到30%左右，蒙脱石属于膨胀软岩，内部结构较松散，遇水后极易出现膨胀变形[6]。由于巷道施工过程中，煤层夹矸受空气中水分影响不断膨胀，导致煤体内部产生挤压作用力，极大地弱化了两帮煤体结构。

2.3 围岩失稳机理分析

由于矿井设备的不断更新，井下巷道所需宽度也在不断改变，18505巷为胶带巷，巷道断面宽度为5.5 m，属于大断面巷道。为验证围岩失稳与巷道宽度之间的关系，根据普氏压力拱理论，建立压力拱计算模型，如图3所示。

图3 压力拱巷道模型图

压力拱的拱高计算公式为[6]：

(1)

对于浅埋煤层，水平构造应力是巷道围岩承载的主要来源。巷道开挖后，水平构造应力一部分作用于巷道顶底板，另一部分作用于巷道两帮。当水平应力较大时，巷道顶底板主要发生剪切破坏，两帮发生拉伸破坏，顶底板变形量的增大会导致巷道两帮变形量的增大，引发片帮现象[7]。18505胶带巷巷道断面宽度为5.5 m，相比于正常巷道断面宽度较大，在水平构造力的作用下，由于断面宽度增大，顶板极易产生较大变形，导致两帮煤体承受载荷的增大，当该载荷超过煤体承载极限后，两帮煤体将出现破坏变形，导致片帮现象发生。

综合上述分析结果，18505胶带巷顶板围岩内部节理裂隙发育较多，稳定性较差，并且该巷道属于大断面巷道，顶板岩层变形量的增大导致两帮承受载荷的增大，同时由于两帮煤体受膨胀软岩弱化影响，围岩强度降低，承载能力差，出现片帮变形现象，因此针对18505胶带巷围岩变形机理，需控制顶板围岩变形，增大两帮支护强度。

3 巷道支护方案研究

3.1 现场实践

针对18505胶带巷掘进过程中出现的支护问题，根据上述分析，18505胶带巷断面宽度较大，需增大顶板锚杆支护密度，确保浅部顶板能够形成一个稳定可靠的承载组合梁结构，同时将增大锚固区厚度，提高主动支护力，并且通过增大补强锚索支护密度，强化锚索悬吊作用，减少顶板离层量；巷道两帮需增大锚杆支护密度，强化两帮围岩控制力，保证夹矸岩层的稳定性。巷道支护方案优化后，采用锚杆+锚索+W钢带+金属网联合支护方式，顶、帮锚杆长度由1 800 mm改变为2 400 mm，锚杆预紧扭矩调整为400 N·m，顶锚杆间距由1 050 mm调整为950 mm，帮锚杆间距由1 100 mm变为1 000 mm，顶板增加W钢带将所有锚杆进行联锁，顶板补强锚索由2-0-2-0布置变为2-1-2-1布置。表1为18505胶带巷前后支护方案对比优化表，优化后的支护方案如图4所示。

表1 18505巷支护方案优化对比

3.2 支护效果分析

18505胶带巷掘进199 m后，由于顶板出现断锚杆现象，同时两帮片帮严重，顶板离层值达到165 mm，两帮变形量达到144 mm，图5为优化前巷道围岩变形图。由于巷道变形严重，巷道开始停掘并对支护设计进行了优化，优化后巷道掘进长度约为860 m。到目前为止施工过程中，巷道未出现明显矿压显现现象，无锚杆断裂情况出现，掘进单次循环进度为2 m，两帮基本没有片帮现象出现，单日循环进度平均达到12 m，与过去相比提高了30%.对掘进过程中巷道围岩变形情况进行了监测，图6为支护方案优化后的巷道围岩变形图。

图5 优化前围岩变形监测图

图6 优化后围岩变形监测图

从图6可以看出，顶板下沉量最大约为61 mm，两帮变形量最大为37 mm，巷道围岩稳定，支护系统承载状态良好。

4 结 语

本文以斜沟煤矿18505工作面胶带巷地质条件为基础，采用理论分析、窥视分析、现场实践的方法，对复杂条件下大断面巷道围岩控制方案进行了研究，并对支护设计进行了优化，主要结论如下：

1) 随着巷道宽度的增大，顶板承载载荷将不断增大，顶底板容易发生剪切破坏，两帮发生拉伸破坏，并且顶底板变形量的增大会导致巷道两帮变形量的增大，导致片帮等现象出现，巷道稳定性降低，巷道承载围岩逐步向深处转移。

2) 18505胶带巷顶板岩层浅部构造发育较多，两帮夹矸含泥量较高，内部结构松散，遇水后极易出现膨胀变形，巷道整体围岩稳定性较差。

3) 对巷道支护设计进行了优化，采用锚杆+锚索+W钢带+金属网联合支护方式，顶、帮锚杆长度由1 800 mm改变为2 400 mm，锚杆预紧扭矩调整为400 N·m，顶锚杆间距由1 050 mm调整为950 mm，帮锚杆间距由1 100 mm变为1 000 mm，顶板增加W钢带将所有锚杆进行联锁，顶板补强锚索由2-0-2-0布置变为2-1-2-1布置。支护方案优化后，围岩变形量有了大幅降低，巷道支护情况稳定。