破碎围岩巷道变形特征及支护优化

刘瑞生

（山西省汾西矿业（集团）有限责任公司双柳煤矿， 山西 柳林 033300）

0 引言

将巷道布置在煤层中，不仅可回收部分煤炭资源还可提高巷道掘进效率、减少井下矸石产量，同时煤巷采用综掘方式掘进，掘进自动化程度较高、掘进速度快。巷道断面一般为矩形，当巷道围岩破碎或者围岩岩性稳定性较差时，如何有效控制围岩变形是巷道掘进期间需重点解决问题[1-4]。一般情况下，对于破碎巷道围岩支护多采用工字钢架棚或者U 型钢方式，存在支护成本高、围岩变形适应性差以及后续频繁修整等问题；部分矿井综合使用锚网索+围岩支护方式，需要钻进多个注浆钻孔且注浆工程量较大，支护成本高[5-8]。本文以1502 回风巷为工程实例，优化巷道支护参数实现破碎巷道围岩有效控制。

1 1502 回风巷概况

1502 回风巷沿着开采的5 号煤层底板掘进，矩形断面（规格为4.2 m×3.2 m），采用综掘工艺，锚网索方式支护围岩，设计掘进总长度为2 550 m。5 号煤层为典型的三软煤层，煤层厚度3.2 m，依据其他邻近采面煤炭开采以及回采巷道掘进显示，煤层及顶底板裂隙发育强度较低。根据已有地质资料显示，在1502回风巷掘进至1 205～1 303 m 范围内，会揭露有F11、F12、F15 等多条断层影响，巷道围岩受断层影响较为明显，围岩破碎程度会进一步增加。具体1502 回风巷掘进过程中揭露的断层参数见表1。

表1 1502 回风巷掘进期间揭露部分断层参数

2 巷道围岩变形特征分析

2.1 巷道原支护参数

1502 回风巷采用锚网索支护工艺，支护断面如图1 所示。顶板用Φ20 mm×2 000 mm 螺纹钢锚杆，间排距为1 000 mm、1 500 mm，每排4 根；锚杆支护配合使用规格120 mm×120 mm×10 mm 钢托盘；护表用网孔50 mm×50 mm，长宽分别为1 000 mm、3 500 mm。每排2 根规格Φ18.9 mm×7 300 mm，间排距为1 500 mm、3000 mm，端头外漏长度250 mm。顶板锚杆采用T140/28-3600 钢带连接，提高顶板表面支护强度。巷帮3 根Φ18 mm×1 800 mm 螺纹钢锚杆，上部、下部锚杆与顶、底板间距均控制在600 mm；用长2 550 mm、宽2 000 mm 塑料筛网护表。在1502 回风巷掘进至1 205～1 303 m 范围内时，由于巷道围岩破碎，因此辅助采用11 号工字钢组成架棚进行护表，支护棚距控制在1 m。

图1 巷道原支护断面（单位：mm）

2.2 巷道围岩变形分析

在1502 回风巷掘进至围岩破碎带范围内，布置测点对围岩变形进行为期20 d 监测，具体结果见图2。从图2 监测结果看出，在监测期间顶板累计变形量可接近18.11 cm，最大下沉速度为0.05 cm/d；两帮最大变形量为57.58 cm，最大变形速度达到17.3 cm/d。从1502 回风巷围岩变形监测数据发现，1502 回风巷在围岩破碎带期间掘进时围岩变形量整体较大且长时间无法收敛，原有的巷道围岩支护方案难以满足使用需要。

图2 巷道破碎围岩段变形监测曲线

1502 回风巷在围岩破碎、构造应力等多重因素综合作用下导致围岩变形量整体较大，部分位置出现支护用钢带变形严重甚至部分区段有支护体系失效征兆，具体现场围岩变形情况见图3。矿井管理人员及技术人员通过综合分析，并结合邻近矿井此类巷道围岩控制经验，提出增强围岩支护体系强度+围岩注浆+工字钢架棚方式进行围岩支护，通过强化围岩支护强度达到控制围岩变形的目的。

图3 1502 回风巷现场围岩变形情况

3 围岩支护参数优化及优化后效果分析

3.1 支护参数

1502 回风巷围岩变形较大的主要原因为原有支护参数无法与破碎围岩条件相适应，因此，提出增加锚杆及锚索长度、支护密度，注浆方式提升破碎围岩承载能力及抗变形能力，结合原有的工字钢架棚提高巷道表面支护强度[9]。具体优化后的锚网索布置断面见图4。

图4 优化后巷道支护断面（单位：mm）

顶板每排布置5 根规格Φ20 mm×2 500 mm 螺纹钢锚杆，近巷帮的锚杆外插10°，锚固1 500 mm，间排距900 mm、1 000 mm，施加45 kN 预紧力；巷帮按1 200 mm、1 000 mm 间排距布置3 根与顶板一致的锚杆，锚固600 mm，施加30 kN 预紧力。顶板2 根规格Φ18.9 mm×8 300 mm 锚索，锚索均有10°外插角，按照3 200 mm、2 000 mm 间排距布置，锚固长度控制在1 500 mm，支护后施加100 kN 预紧力。巷道围岩仍采用工字钢按照1 m 棚距组成架棚强化围岩支护。

为提高破碎围岩稳定性并降低围岩控制工程量，在巷道顶板上布置注浆钻孔对顶板进行加固，在巷道顶板中线位置位于2 排锚杆间布置1 个注浆钻孔，钻孔孔深均为3 500 mm，注浆用水灰质量比1∶1.6 的水泥浆，并添加速凝剂改善注浆浆液性能，注浆压力控制在3～5 MPa。

3.2 支护优化后围岩控制效果

将支护优化后的围岩支护方案进行工程应用，并对巷道顶板及巷帮变形进行监测，具体结果见图5。从图5 中看出，支护完成后15 d 变形基本稳定，顶板、巷帮最大位移量分别为30 mm、75 mm，围岩变形较小。在1502 回风巷围岩破碎带采用文中所述优化支护方案后，巷道在后续使用过程中基本不需要修整，巷道断面始终满足行人以及通风等需要，实现了破碎围岩巷道有效控制。

图5 支护参数优化后巷道围岩变形曲线

4 结语

1502 回风巷沿着5 号煤层底板掘进，煤层及顶底板本身松软且承载能力较差，在正常地质段采用锚网索+工字钢架棚方式可实现围岩控制，但是巷道掘进至1 205～1 303 m 范围时，由于区间发育有多个断层，围岩破碎，巷道围岩变形较大。对1502 回风巷在破碎围岩段围岩变形特征进行分析，提出以提升支护体系支护强度以及围岩自身承载能力为核心的围岩支护优化方案，具体提高锚杆及锚索长度以及布置密度、顶板注浆加固。对支护优化方案进行设计并进行工程应用，结果表明优化后的支护方案可实现破碎围岩有效控制，顶板及巷帮最大变形量均在30～75 mm以内，可满足巷道使用需要。