矿井破碎巷道围岩变形机理分析及支护技术研究

＊任国强 张永 毕利军

（山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司 山西 048400）

引言

煤炭是我国最主要的能源之一，我国是煤炭产量大国，年产量约41亿吨，全球总产量占比较大，为实现煤矿井下开采的安全高效性，首要条件是保障好回采巷道围岩的稳定性，由于回采巷道约长1500公里，控制破碎围岩回采巷道的稳定性十分必要，也是很多专家研究的领域。例如，吴爱祥和胡凯建等人[1]提出并验证“钢拱架+长锚索”联合支护技术，可有效改善巷道围岩变形。孔凡伟[2]基于围岩力学参数测试，以及数值模拟研究的基础上设计的支护方案，可有效减弱围岩变形。孙占成和周保平[3]在石炭系破碎围岩中采用“中空注浆锚索+锚杆”的方式，控制破碎围岩巷道变形，取得了较好的效果。本文在参考以上科研成果的基础上，以山西某矿10-208回采巷道为研究对象，该工作面地质条件错综复杂，当回采巷道过破碎围岩段期间，巷道顶板下沉明显，片帮等严重破损，对井下作业安全构成威胁，导致巷道无法正常使用。因此，为了减少施工风险，研究分析破碎围岩回采巷道的支护技术，具有实际应用意义，可为类似工况下的同类型巷道围岩支护提供参考。

1.工程概况

山西某矿10-208工作面，实体煤岩层覆于其上，其地理位置西邻10-206回采工作面，南与二盘区3条准备大巷接壤，北部和东部均为实体煤，紧挨着风氧化带，位于矿井井田边界，生产过程中不易受采动的影响。该工作面开采煤层类型为石炭系上统太原组的9号和10号煤的混合层，9号和10号煤层间距为0.2～0.4m，层普氏系数为2～3，中厚层状，结构较为稳定。

山西某矿10-208工作面地面标高+1045～+1175m，10-208回采巷道标高+810～+835m，巷道全长997m，为矩形断面，净宽和净高分别为5.0m和3.5m。10-208回采巷道在地质作用影响下，巷道围岩150m左右变形情况严重，顶板下沉600mm，两帮移近500mm，且部分区域发生了锚杆索断裂等状况，为了保障煤矿井下生产的安全性，加固处理10-208回采巷道严重变形的区域十分必要。

2.巷道围岩变形机理

(1)地质构造的影响

对山西某矿10-208工作面回采巷道进行实地地质勘察，发现其在工作面掘进作业过程中揭露6条正断层，断层最大影响区域为20m，断层落差为0.5～1.7m，严重破坏了巷道围岩的完整性，同时在地质构造的综合作用下，巷道围岩稳定性较差，造成工作面回采巷道部分位置围岩处于严重破碎状况，巷道围岩较为脆弱。

(2)围岩强度的影响

10-208回采巷道的直接顶，其岩石种类为泥岩，具有易吸水膨胀、强度较低等特点，故质软的泥岩位于直接顶区域内，致使巷道围岩极易产生较大变形。原来的巷道顶板支护方案如下：

在巷道顶板的材料选择方面，采用左旋螺纹钢锚杆，其规格为直径22mm、长度2400mm，在施工设置方面，使所有锚杆间距都为900mm×1000mm，且都与顶板垂直，锚杆螺母锚固力大小为190kN，其预紧力矩至少为300N·m。巷道顶板的锚索在材料选择方面，采用钢绞线锚索，其规格大小为直径20mm×5300mm预应力，在施工设置方面，使各锚索间按间距1800mm×2000mm排列，选用的球型钢板托盘，其规格大小为180mm×180mm×12mm，为使锚索锚固端能够深入稳定岩体中至少1m的距离，以保证支护效果，对其施加预紧力至少为300kN。巷道两帮的锚杆采用的材料规格与巷道顶板相同，但在施工设置方面，所有锚杆间距设置为950mm×1000mm，且都与帮部垂直，锚杆螺母锚固力大小为160kN，两帮的金属网规格大小为2900mm×1100mm，采用16号双股联网丝进行金属网的联接，金属网搭接长50mm，联网丝扭结为3扣以上，联网距在200mm以内。

原支护方案中，锚杆长2400mm，其锚固区位于锚杆仅对剪切应力起作用的泥岩中，支护作用无法全部起作用，支护效果较差。

(3)地应力的影响

为深入分析巷道围岩的变形破坏机理，以破碎围岩严重的位置为研究对象，对其进行地应力测量，测量结果见图1。

从图1可看出，回采巷道的走向为正东西方向，由图1回采巷道和最大水平主应力的夹角（45°），可求得剪切破坏面与水平面夹角θ：

由图1可看出，山西某矿10-208工作面回采巷道围岩变形破坏机理如下：正东西走向的回采巷道，其巷道顶板岩石在最大和最小水平主应力作用下，会产生41°至60°的剪切破坏，破坏角度区间与回采巷道平行，不能有效实现巷道围岩支护。

3.加固支护方案

(1)注浆加固方案

将围岩先进行扫喷，再进行注浆，将裸露处围岩的表面封闭。顶板注浆孔的直径为36mm，深度为8000mm，注浆孔布置方式为“4-3-4”，其间排距为1600mm×2000mm；巷道帮部和底板的注浆孔直径均为36mm，深度分别为7000mm和6000mm，其注浆孔布置方式均为每排两根，间排距均为2000mm×2000mm。

巷道围岩进行注浆加固时，采用凿岩机设备进行注浆打孔操作，具体的注浆孔布置见图2。打设时要注意使注浆孔均垂直于巷道围岩表面，并将射浆管埋设到注浆孔内，进行一次性全钻孔注浆，注浆压力为6.0MPa左右，注浆材料选用水玻璃和水泥浆液体积比大概0.5:1的水泥-水玻璃双液浆，其各成分的具备配比参数为水灰比0.8、水玻璃浓度50Be左右，模数3.0。

图2 注浆孔布置图（单位：mm）

(2)锚杆索支护方案

①巷道顶板支护。在该支护方案中，巷道顶板支护材料采用规格型号为CRM500Φ22-M24-2400强力锚杆和SKP22-1/1860/8300强力锚索，锚杆和锚索均与巷道顶板垂直打设。锚杆的施工布置如下：每排五根，排列间距为900mm×900mm，锚杆螺母预紧力矩在400～500N·m之间，同时使用3.8m长的钢带进行支护，以提升效果。锚索的施工布置如下：采用“2-3-2”的形式，其间排距根据锚索数量的不同而不同，若布设的为两根锚索，可设置为1800mm×1000mm的间排距，如果布设的为三根锚索，可设置为1700mm×1000mm的间排距。

②巷道两帮支护。巷道两帮支护材料，都选用强力锚杆与锚索，巷道两帮对称设置四根间排距为950mm×1000mm的锚杆。锚索打设时与帮部垂直，锚索的设置方式为左右两帮对称布设，每排打设两根，其间排距为2000mm×2000mm。优化后锚杆索支护方案见图3。

图3 优化支护方案图（单位：mm）

4.工业性试验

在山西某矿10-208破碎巷道，应用给巷道进行注浆加固和采用锚杆索进行联合支护的方案，为保证数据结果更有说服力，安排了两组测站，其间距为40m，在回采巷道过破碎段过程中，采用“十字布点法”对巷道顶底板和两帮位置的围岩变形量进行测量，在顶帮、顶部、帮部和底板区域均设置测点，其测点位置分别在同一断面内、巷道中心线上、距巷道地面1m处及铁钎钉入底板围岩内250mm处。共观测90天，频率为每周一次，不同测站巷道围岩表面位移结果见图4。

图4 不同测站巷道围岩表面位移情况

图4表明，在前58天内，顶底板和两帮相对移近量与时间变化呈正相关的变化趋势，在58天后，顶底板和两帮相对移近量变化不大，趋于稳定，顶底板最大累计变形量为49.5mm，巷道两帮最大累计变形量为64.6mm，故顶底板和两帮相对移近量随观测时间的变化趋势为先增大，到一定时间后趋于稳定，其巷道掘进过程中没有发生冒顶片帮现象。结果表明，该巷道围岩变形得到了有效控制。

5.结论

以山西某矿10-208破碎巷道工程概况为例，基于巷道围岩变形机理，研究巷道围岩变形支护方案，其结论如下：

（1）本文通过分析巷道围岩破碎变形机理，设计了巷道进行注浆加固与采用锚杆索进行联合支护的的优化支护技术方案。

（2）在10-208工作面回采巷道，进行该支护方案的现场应用测试，结果表明，该回采巷道过破碎段过程中顶底板最大累计变形量为49.5mm，巷道两帮最大累计变形量为64.6mm，围岩变形控制效果显著。