忻峪煤矿北翼胶带大巷复修支护技术研究与应用

杨秀庭

（潞安化工集团潞宁忻峪煤业有限公司，山西 忻州 036700）

1 工程概况

忻峪煤业北翼胶带巷开口距主斜井井口672 m，北部为首采区，东部为空白区，西部为北翼胶带巷，南部为井底车场，下部为侏罗纪2#煤层底板。2#煤层位于大同组的上部，上距云岗组底K 砂岩36.5～56.7 m，平均44.19 m。2#煤层厚度0.45～2.18 m，平均0.85 m，均方差为0.096 6，变异系数为11.3.6%。煤层结构简单，一般没有夹矸，顶底板一般为泥岩或粉砂岩，属稳定的全区大部可采煤层。2#煤层埋深为0～550 m，井田内由东向西埋深逐步变深。北翼胶带大巷沿2#煤层底板掘进，底板、顶板均为砂质泥岩。具体岩性特征见表1。

表1 顶底板情况表

2 北翼胶带大巷破坏特征

北翼胶带大巷采用直墙拱形断面，掘进巷宽度为4.8 m，直墙高度1.2 m，巷道总高3.1 m，采用29#U 型钢配合挂网喷浆支护，型钢排距为0.6 m，表面喷浆厚度为100 mm，支护断面如图1（a）所示。北翼胶带大巷投入使用6 个月后，巷道底板底鼓变形严重，局部可达到100 cm，两帮收缩变形严重，部分支架肩部搭接处折断，两帮最大移近量达到187 cm，顶板围岩破碎较严重，多处出现网兜、下沉现象。整理现场实地调研数据，得到北翼胶带大巷全段宏观变形规律如图1（b）所示，巷道断面收缩严重，影响其正常使用，急需更为有效的返修支护来保证巷道的围岩稳定性及正常使用。

图1 北翼胶带大巷支护及破坏情况

3 复修支护方案研究

3.1 巷道破坏机理研究

为探究北翼胶带大巷破坏机理，进而选择更加合理有效的支护方式，以距开口处150 m 处的巷道断面围岩条件为背景进行相似模拟研究[1-2]。模型宽1.0 m，高0.9 m，厚度0.12 m，模型与工程实体比例为1:25，模拟大巷左右两个共25 m、上下两侧共22.5 m 范围内围岩的破坏情况，大巷水平方向居中设置，底板距模型下边缘0.34 m，大巷宽度为19.2 cm，高4.8 cm，如图2（a）所示。北翼胶带大巷原有支护采用U 型钢架支护，为取得更真实的模拟效果，同比例制作了U 型支架，如图2（b）所示。

图2 相似模拟模型

北翼胶带大巷原岩应力为14.2 MPa，按照模拟比例换算模型上方原岩应力为0.38 MPa，模型上部通过两个5 t 油缸进行加载，共进行15 次加载，加载压力梯度为0.06 MPa，第15 次加载压力为0.90 MPa。为更加清晰直观地体现不同应力条件下巷道围岩的破坏情况，对模型内裂隙进行素描，最终得到不同应力条件下巷道围岩破坏情况的模拟结果如图3。

图3 不同应力条件下巷道围岩破坏情况

本次实验前6 次加载，围岩应力小于原岩应力0.38 MPa，巷道周围未出现明显的裂隙。第7 次加载后，巷道周围岩体内裂隙发育情况如图3（a）所示，巷道底板1 m 深度范围内出现一道垂直裂隙，两帮1.15 m 深度范围内也出现了垂直裂隙，在顶板0.7 m 深度出现一道水平裂隙。由此说明，顶板开始出现离层，两帮开始出现片帮。由图3（b）、（c）、（d）可以看出，随着围岩内应力的增大，巷道周围裂隙逐渐扩展发育，顶板岩层离层愈加严重，两帮片帮程度未明显变化，底板裂隙逐渐扩宽和向深部延伸，底板破碎严重。加载压力为0.90 MPa 时，巷道围岩内应力约为原岩应力的2.4 倍，底板出现明显的底鼓破坏，底板岩层破坏深度为1.7 m，顶板4.65 m范围内出现多条水平裂隙和竖向裂隙，左帮破坏深度1.67 m，右帮破坏深度1.23 m，巷道已失稳破坏严重。

3.2 复修支护方案设计

根据上述物理相似模拟实验可知，U 型钢棚支护条件下，巷道围岩内裂隙逐渐发育，最终导致巷道顶板、底板失稳破坏，巷道顶板岩层的松动破坏范围为4.65 m，两帮破坏深度为1.67 m，底板破坏深度为1.7 m，由此得到北翼胶带大巷的极限平衡圈和松动圈[3-4]，如图4（a）所示。最外面的椭圆圈为巷道极限平衡圈（外圈），里面的椭圆圈为松动圈（内圈），据此提出采用锚网索+底板注浆锚杆+反底拱联合返修方案。根据巷道破坏情况，进行断面优化，巷道宽度增加到5.0 m，预留两帮片帮内移量，直墙高度增大为1.6 m，拱高为1.4 m，预留顶板下沉空间，底板反底拱深度0.6 m，抑制底板底鼓并预留一定底鼓空间。顶板岩层松动范围约4.65 m，选择顶板采用6 m 长锚索，锚索规格Ф18.9 mm×6000 mm，两帮破坏深度约为1.67 m，采用2.4 m 长的锚杆配合4.0 m 长的锚索。顶板和两帮锚杆规格Ф20 mm×2400 mm，间距0.5 m，排距0.6 m，锚索间排距1.0 m×1.2 m，底板破坏深度为1.7 m，反底拱后破坏深度约为1.1 m，采用长度1.5 m的注浆锚杆进行加固，间距为0.8 m，排距为0.6 m。巷道全断面采用8#铁丝菱形金属网，全断面喷射100 mm 的C15 细石混凝土，北翼胶带大巷复修支护流程：喷浆封闭→底板注浆→扩修→锚杆、锚索、挂网支护→初喷50mm 混凝土→复喷50 mm 混凝土，支护断面如图4（b）所示。

图4 复修支护方案

4 效果验证

北翼胶带大巷采用锚网索+底板注浆锚杆+反底拱联合支护方案返修后，为掌握巷道围岩变形情况，验证支护方案及参数的合理性，采用“十字布点法”[4]监测其矿压特征。经过为期四个月的实地监测，整理得到距开口100 m 处北翼胶带大巷围岩变形规律如图5。随着使用时间的增加，大巷顶板和两帮的位移量呈阶段性增大趋势。返修60 d 后，顶底板移近量为113 mm，两帮移近量为74 mm；返修90 d 后，顶底板移近量为121 mm，两帮移近量为79 mm，顶底板移近量增大了8 mm，两帮移近量增大了5 mm；返修120 d 后，顶底板移近量为123 mm，两帮移近量为80 mm，顶底板移近量增大了2 mm，两帮移近量增大了1 mm；返修90 d 后，北翼胶带大巷围岩基本稳定，两帮及顶底板变形量在合理范围内。由此说明，锚网索+底板注浆锚杆+反底拱联合支护可有效控制北翼胶带大巷围岩的失稳破坏，保障巷道的长期稳定，返修支护方案可靠。

图5 北翼胶带大巷断面收敛变化规律

5 结论

通过对忻峪煤业北翼胶带大巷现场调研，巷道全程范围内多处出现顶板下沉、支架折断、两帮内移、底板底鼓严重等破坏现象，通过物理相似模拟实验，得出北翼胶带大巷极限平衡圈和松动圈，巷道顶板破坏深度约4.65 m，两帮破坏深度约1.67 m，底板破坏深度约1.70 m，据此提出巷道断面优化方案、支护方案并设计确定具体的支护参数。现场实地应用后，进行巷道围岩变形情况监测，证明锚网索+底板注浆锚杆+反底拱联合支护方案能够有效控制巷道围岩内裂隙的扩展发育，保证巷道围岩的稳定性，将巷道表面变形量控制在合理范围内，取得良好的应用效果。