東海煤礦深部巷道支護技術

摘 要: 煤礦深部巷道圍巖壓力大，超過其圍巖的抗壓強度。同時，采區(qū)巷道受動壓的影響，巷道圍巖變形破壞嚴重，影響正常生產(chǎn)?，F(xiàn)場實驗表明，東海煤礦埋深 1 000 m 的巷道經(jīng)受了兩個回采工作面的動壓影響，圍巖受力狀態(tài)良好，達到了預期目標。

　　東海煤礦核定生產(chǎn)能力 150 萬 t/a。二水平五采區(qū)下山開采深度已達到 1 050 m。開采深度至700 m時，該礦出現(xiàn)巷道支護困難、維修量大等深部開采問題。隨著開采深度的增加，圍巖軟化現(xiàn)象明顯，巷道變形嚴重，嚴重影響正常生產(chǎn)，顯現(xiàn)典型的深部開采特征。筆者根據(jù)該礦巷道破壞情況及相關力學參數(shù)，采取優(yōu)化巷道斷面設計，加強關鍵部分位支護強度等措施對其巷道進行支護。

1 巷道破壞的主要特征

1. 1 巷道頂板下沉彎曲破壞與頂板擠壓破壞東海煤礦五采區(qū)下山巷道圍巖由粉砂巖與頁巖等互層組成，層理與節(jié)理較發(fā)育，在高應力作用下圍巖具有明顯的軟化、破碎現(xiàn)象。巷道頂板受垂直壓力與兩幫的擠壓而彎曲變形，如圖 1 所示。

1. 2 巷道兩幫圍巖向巷道內擠壓破壞

在高應力作用下，特別是受回采工作面動壓影響，巷道兩幫嚴重向巷道內擠入［1］ ，使巷道圍巖表面逐步脫落破壞，尤其是錨桿與錨索托盤附近巖石破壞脫落(圖 2)，原有支護系統(tǒng)失效。

1. 3 巷道底鼓

　　采準巷道普遍出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象［2］ ，需多次臥底維修，甚至出現(xiàn)采掘不久的巷道就要臥底翻修的情況。

五采區(qū)變電所硐室最大底鼓量達到 1. 0 m 以上，如圖 3 所示。

2 巷道圍巖應力與壓力

2. 1 力學參數(shù)

　　五采區(qū)下山巷道圍巖試塊力學參數(shù)如表 1 所示。由于圍巖存在軟硬巖層互層，巷道圍巖整體強度低。

　　由于巖層與巷道圍巖強度、實驗室試塊強度與井下實際效果的差別，需要確定圍巖的綜合力學參

數(shù)。由表 1 可知，巷道圍巖由粉砂巖、細砂巖、頁巖與煤互層組成，圍巖的綜合抗壓強度為 σ = 31. 792

MPa、τ =5. 334 MPa、μ =0. 315。

2. 2 圍巖壓力

　　巷道圍巖壓力為 p =25. 0 MPa。采動影響集中應力系數(shù)取 1. 3，則巷道圍巖壓力為 32. 5 MPa，超過

了圍巖綜合抗壓強度 31. 792 MPa。根據(jù)理論計算巷道側壓系數(shù) λ 為λ = μ/(1 － μ) =0. 459 8，

而根據(jù) Sheorey 提出的經(jīng)驗公式側壓系數(shù)為

則巷道的側壓力 σ 1 = λp =10. 02 ～11. 45 MPa，超過圍巖的抗剪強度。

3 巷道支護設計

3. 1 設計原則

　　巷道支護設計主要原則是 :

      (1) 以護為原則，防止圍巖破碎脫落引起錨桿錨索的托盤失效破壞;

      (2)采用高強度錨桿錨索及金屬網(wǎng)組合支護，控制圍巖的變形量;

      (3)采用帶壓、讓壓支護，錨索支護滯后錨桿支護 15 m 以上，允許圍巖有一定壓力釋放;

      (4) 重點部位加強支護，使圍巖整體收縮變形，防止巷道因局部變形量大而破壞。

3. 2 斷面形狀及支護設計

　　設計巷道斷面形狀為半圓拱形，巷道寬度44. 0 m，高度 3. 9 m，其中，壁高 1. 9 m，拱高 2. 0 m。

巷道斷面與錨桿錨索支護參數(shù)如圖4 所示。采用直徑22 mm、長2.2 m 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距 0.8 m ×

0. 9 m。錨索長度 7. 0 m，間排距 2. 4 m ×1. 2 m。

3. 3 優(yōu)化巷道斷面

　　經(jīng)理論分析采用拱形頂板、直墻與弧形底角的巷道斷面形狀，如圖 4 所示 。這種巷道斷面形態(tài)施工簡單，能夠改善巷道圍巖的應力分布狀態(tài)，提高自身承載能力，有利于巷道支護。利用數(shù)字模擬軟件對常規(guī)巷道斷面與弧形底角巷道斷面的圍巖應力、變形情況進行模擬計算，剪應力對比結果如圖 5 所示。巷道底角留設弧形以后，巷道圍巖應力較底角為直角形斷面有顯著變化。計算結果顯示，最大主應力減小 43% ，最小主應力減小 69% ，剪應力減少 43% ，頂 板 下 沉 量 減 少 2% ，底 鼓 量 減少 42% 。

4 應用效果實驗巷道在五采區(qū)回風下山。實驗前五采區(qū)回風下山巷道已施工了 60 m，此后新掘巷道按新設計

方案施工。

4. 1 巷道圍巖變形觀測

在同一下山巷道內原支護設計方案已施工2 個月。新設計方案施工區(qū)設兩個，測區(qū)，每個測區(qū)設計兩個觀測

點，連續(xù)觀測4 個月。部分觀測結果如圖6 所示。

4. 2 對比分析

　　原支護方案頂?shù)装逡平繛?30 mm，兩幫移近量為 170 mm，圍巖變形還在繼續(xù)增加。新設計方案

的頂?shù)装逡平繛?40 mm，兩幫移近量為 120 mm，巷道圍巖變形基本穩(wěn)定。在施工后的兩年內，回風

下山巷道經(jīng)受了兩個回采工作面的動壓影響，新支護設計方案巷道段沒有維修，而原支護設計方案巷

道段已經(jīng)維修 1 次。

5 結 論

(1)東海煤礦深部巷道圍巖變形破壞的主要方式為，圍巖壓力大，使圍巖表面逐步破碎，局部錨桿和錨

索托盤失效。由此，支護設計原則首選以護頂護幫為主，采用高強度錨桿錨索及金屬網(wǎng)組合支護，且錨索滯

后錨桿支護，圍巖壓力有一定的釋放時間。同時，加大巷道關鍵部位的支護，可有效控制巷道圍巖破裂程度。

(2)巷道留設弧形底角，改變了圍巖應力狀態(tài)，降低了巷道底鼓程度，兩幫的移近量明顯減少，深部巷道的穩(wěn)定性顯著增強。