煤矿井下巷道围岩协同支护技术的应用研究

王志仁

（山西煤炭运销集团吕梁有限公司，山西 孝义 032300）

随着煤矿井下综采作业深度的不断增加，井下巷道地质条件日趋复杂，在开采过程中的综采扰动和矿压波动下，巷道围岩受力增加，在井下肩窝位置处极易遗留三角煤，使该位置煤体在应力挤压作用下发生扩容变形，造成支护锚杆、锚索破断[1]，给煤矿井下综采作业安全造成了严重的隐患。

由于传统的单方式支护方案在实际使用过程中具有较大的局限性，无法满足深井巷道内的支护安全性需求，因此结合井下实际情况，提出了一种新的煤矿井下巷道围岩协同支护技术。

1 巷道支护现状

以某煤矿井下巷道为研究对象，其巷道断面为拱形，巷道宽5.8 m，高4.1 m，巷道采用了锚网索+滞后注浆+喷浆支护的综合支护方案，支护锚杆采用了直径为22 mm 的螺纹钢，锚索采用了结构钢绞线，在巷道煤柱侧采用了注水泥浆防护，在泥浆上侧铺设一层混凝土用于加强[2]。在实际综采作业过程中，巷道底板的变形量约为5 000 mm，而巷道两帮的变形量也达到了3 000 mm，井下巷道煤柱的外侧大范围的开裂，存在着大量的锚索断裂、钢带断裂等，在整个作业过程中的起底量约为10 次，巷道两侧的刷帮的深度也达到了2 000 mm 以上，在综采作业过程中是处于边掘进边修补的状态，巷道井下围岩变形结构如图1 所示。

图1 井下围岩变形结构示意图

2 井下围岩变形控制原理

由于煤矿井下的巷道围岩变形主要是由于矿压波动以及综采扰动导致的，因此对井下围岩的变形控制也主要是从这两个方面开展[2]。

抵抗矿压波动影响的方法主要是锚杆支护及注浆改性，在采用锚杆支护时需要根据煤矿井下的实际情况进行支护结构布置，在采用注浆改性时，则是将浆液充填到围岩的缝隙内，通过浆液的凝结力将破碎的围岩结合到一起，形成一个稳固的岩体结构，从而有效提升岩层在矿压波动下的稳定性。

在进行抵抗矿压波动的结构布置时，首先对巷道截面进行优化，为了改善传统拱形巷道在作业过程中容易出现的肩窝区三角煤不稳定性高，锚杆、锚索破断严重的问题，在经过多次试验验证后对巷道断面进行了一定的改动，将其断面结构更改为沿着顶板掘进的倒梯形结构，巷道顶板和水平反向呈7°的夹角，巷道总宽为5 800 mm，侧帮高度为4 190 mm，煤柱的侧帮高3 580 mm。

在支护时，为了提高支护强度，采用了高强度的支护锚杆，为了提升支护可靠性，在锚杆处同步增加了锚杆托盘、调心球垫等，在巷道顶板的支护锚杆处设置W 钢带支护，锚索采用1×19 结构的预应力钢绞线，锚索在布置时需要和异形托板配合使用，顶板锚杆的预紧力设置为600 N·m，帮锚杆的扭矩设置为400 N·m，保证锚杆、锚索的支护稳定性，该巷道锚杆锚索支护结构如下页图2 所示[3]。

图2 井下巷道支护结构示意图（mm）

对于井下综采扰动问题，则主要采用水力压裂技术，在巷道顶板上设置水力压裂孔，然后通过高压水力压裂，形成预裂孔，保证坚硬的巷道顶板能够及时垮落，避免在井下综采扰动的情况下出现塌方。在进行注浆改性时，注浆材料采用了最新的有机复合改性材料，其水灰比为0.9，注浆时的注浆压力设置为8 MPa，为了保证注浆的连续性和凝结情况，注浆时采用从下到上间隔注浆的方案，提升注浆的渗透性。注浆孔设置时根据煤矿井下的实际情况，设置注浆孔的直径为42 mm，注浆孔1 的深度设置为11 m，倾角为36°，注浆孔2 的深度设置为9.4 m，倾角为64°，其注浆孔布置结构如图3 所示[4]。

图3 注浆孔布置结构示意图（mm）

3 协同支护应用效果分析

为了对煤矿井下协同支护方案的实际应用效果进行分析，在煤矿井下巷道内布置了4 组观测站点，对井下综采作业过程中的锚杆、锚索受力、巷道围岩变形等进行监测，其结果如图4 所示。

图4 优化后巷道顶板及两帮变形量

由图4 可知，优化后巷道两帮的最大变形量约为57 mm，比优化前的112 mm 降低了49.1%；优化后顶板的变形量约为118 mm，比优化前的258 mm 降低了54.3%，显著的提升了煤矿井下巷道两帮和顶板的变形量，对提升综采作业的安全性和经济性具有十分重要的意义。

4 结论

1）巷道围岩变形主要是由于矿压波动以及综采扰动导致的，因此对井下围岩的变形控制也应该主要从这两个方面开展；

2）抵抗矿压波动影响的方法主要是锚杆支护及注浆改性，对于井下综采扰动问题，则主要采用水力压裂技术；

3）应用本文提出的井下巷道支护方案，能够将巷道围岩两帮变形量降低49.1%，巷道顶板变形量降低54.3%，对提升综采作业效率和安全性能具有十分重要的意义。