复杂地质条件下大断面煤巷支护技术研究

李慧鹏

（潞安矿业集团煤矿管理中心，山西 长治046204）

潞安集团常村煤矿井田含煤地层为下二迭系山西组及上石炭系太原组，含煤地层总厚163.36m，含煤10～17层，煤层总厚11.25m，含煤系数为6.9%。本区地质构造以褶曲为主，地层走向近南北，向西倾斜，倾角3°～6°。东部以单斜为主，伴有近东西向波状起伏；西部为近南北向褶曲。该矿煤矿开拓方式为立井多水平盘区式开拓，分2个水平开采。现有S5－5、N3－2、N1－2三个放顶煤综采工作面。煤层顶底板情况为：直接顶为细砂岩、粉砂岩或泥岩，平均厚度5.35m；老顶为细砂岩或中细粒砂岩，平均厚度5.98m；直接底为细砂岩或泥岩，平均厚度5.03m。巷道开挖后，受动压及地质构造应力影响，巷道呈局域性破坏，顶板严重下沉、两帮内鼓，底鼓严重。巷道未掘完成因变形严重多次停掘巷修，严重影响矿井通风、安全生产。因此，研究适应该矿大断面煤巷支护的技术方案和设计参数，采用安全经济、可行的支护方式对大断面煤巷围岩变形进行有效控制，成为该矿实现安全高产高效的先决条件之一。

1 原巷道支护参数及存在的问题分析

S5－5工作面胶带运输巷沿煤层底板布置，顶板留有4.5m煤皮，属于复合顶板。巷道为梯形断面。原设计方案采用全断面锚网（索）架梯形工字钢单棚、空帮预留变形联合支护。即顶部采用Φ22mm×2250mm高强度螺纹钢锚杆，加打Φ17.8mm×8000mm锚索加固；帮部采用Φ18mm×2000mm钢筋锚杆；顶、帮铺菱形金属网（规格：4mm×1.68m）。锚网后支架梯形工字钢单棚，棚距400mm。

该工作面胶带运输巷采用原支护方案时，锚杆支护失效，托板脱落，支护效果较差，出现冒顶、顶板破碎下沉、底两帮移近等情况，巷道局部破坏变形严重，经对原支护现状进行分析，主要是由以下两个方面原因造成的。

1.1 围岩结构特征

①3＃煤层上浮岩层中存在巨厚砾岩层，为脆性岩石，在采区大面积开采后，易发生脆性断裂，其延伸长度大，整体性减小，造成采区压力大；②3＃煤层底板为炭质泥岩和泥岩，遇水易膨胀，导致巷道底鼓严重。

1.2 地质构造导致巷道失稳破坏

① 在该工作面掘进中，揭露6条F3的次生断层，上巷950m处发现存在挠曲构造，受构造残余应力影响，工作面压力增大；②3＃煤顶板不稳定，厚薄变化大，且岩性为泥岩，其间常夹薄煤层或煤线，整体性差，易造成巷道冒顶。

2 新支护方案设计

针对上述复杂围岩条件下巷道难以支护的现状，通过对已施工巷道的现场调研分析，确定将巷道断面设计为半圆拱形断面，断面净宽6.8m，净高4.5m，断面积23.5 m2，为适应巷道地质构造及围岩位移的差异，改善巷道围岩状态，巷道支护采用锚网索＋36U型钢棚联合支护形式，为适应巷道围岩变形大的特点，锚杆和锚索托盘上加设木托盘，以便使锚杆和锚索适应围岩的变形，防止锚杆锚索拉断。

全断面锚网（索）、架36U－5.6m拱型可缩性支架、空帮预留变形联合支护。顶、帮铺菱形金属网，拱顶打Φ22 mm×2500mm钢筋锚杆，间排距800mm×800mm，加打Φ17.8mm×8000mm锚索加固，间排距1500mm×1500 mm，锚索打设位置为距两帮600mm处各布置一根，拱顶中间布置一根，两帮各打Φ18mm×2500mm钢筋锚杆，间排距800mm×800mm，下帮加打Φ17.8mm×6000mm锚索加固，底角锚杆与帮成75°夹角向底板下扎，其余锚杆垂直巷道轮廓线布置；36U型棚支护由三部分组成，腿长4788mm（弧长），梁长 4636mm（弧长）；梁、腿搭接500 mm，误差范围±100mm，棚距由900mm，顶板及两帮让压300～500mm。

在断层构造带掘进，缩小控顶距，顶锚杆由Φ22mm×2500mm改为Φ22mm×3000mm，帮锚杆由Φ18mm×2000mm改为Φ22mm×2500mm，锚杆间排距由800mm×800mm调为600mm×600mm，棚距由900mm调为700mm（见图1）。

图1 新支护工艺断面示意

图2 反底拱安装示意

由于S5－5工作面胶带运输巷受周围采动影响，巷道已出现严重的底鼓现象，为保证巷道的正常使用。采用底部铺铁丝网、打底锚杆、可缩性反底拱配合两道工字钢联锁对该段底鼓巷道进行压力治理。反底拱安装示意见图2。底部铺铁丝网时要求网与网的搭接长度不小于100 mm，然后在铁丝网的搭接处及两网之间打上地锚杆，最后可根据巷道实际下宽调整反底拱的搭接长度，并在托盘与U型钢梁搭接处焊接限位装置（U型钢短节），以防止巷道受侧压时柱腿内移，同时保证巷道的整体稳固性。通过铺铁丝网、打地锚杆，安装可缩性反底拱并配合两道工字钢联锁对该段底鼓巷道进行压力治理后，对控制巷道底鼓起到了显著的效果。

3 支护效果分析

为判断巷道支护设计是否合理，检验巷道的支护效果，对巷道断面相对位移与巷道底鼓位移进行观侧。在针对巷道断面相对位移进行检测时，布置3个测量断面，采用双“十字交叉布置测点；巷道底鼓位移观侧时，在各测量断面上，巷道底板布置2个测点，采用经纬仪从井底车场附近的稳定测量点，导线测量获得各被测测点的底板隆起的绝对位移值，经分析统计数据生成顶底板相对位移量及巷道底鼓位移变化情况（见图3）。

由图3可知：（1）巷道断面相对位移主要发生在巷道开挖后1～15天之内，以后逐渐趋于稳定；巷道两帮相对位移（88mm）大于顶底相对位移（80mm）；（2）巷道底鼓变形主要发生在巷道开挖后1～11天以内，以后趋于稳定，巷道底鼓较小，只有35mm左右，这说明围岩松帮卸压及采用反底拱支护对巷道底鼓破坏的控制起到了显著的效果。由此表明：大断面煤巷采用全断面锚网（索）、架36U－5.6m拱型可缩性支架、空帮预留变形联合支护是可行的，为矿井通风、运输、行人、防冲工作提供了有利条件，降低了不安全隐患的产生几率，为杜绝事故发生打下了安全基础。