复杂地质条件下巷道围岩控制技术探讨

崔中明

（山西焦煤西山煤电<集团>有限责任公司，山西太原030082）

复杂地质条件下巷道围岩控制技术探讨

崔中明*

（山西焦煤西山煤电<集团>有限责任公司，山西太原030082）

保证复杂地质条件下的巷道稳定性是矿山围岩控制的难点，总结发现复杂地质条件下巷道围岩变形有初期来压快、变形大，易发生冒顶、片帮、底鼓等现象，给出了复杂地质条件下巷道支护的一般对策。以西山煤电下属某煤矿复杂地质条件下巷道为例，分析了其变性破坏的原因，并给出了针对性的支护优化措施，取得了良好的支护效果，对类似矿井巷道支护设计具有借鉴意义。

巷道支护；复杂地质条件；支护优化

我国煤炭资源分布广泛，北起黑龙江、内蒙,南到广东、广西,东起山东、浙江,西到新疆、青海的广大辽阔的幅员内均有分布。其中有复杂地质条件的矿井遍布全国各主要产煤省区，且随着老矿井采深的增加，复杂地质条件煤矿的数量和分布范围将会继续增加和扩大。由此引发的复杂围岩条件下巷道的支护问题日益突出，也是近年来巷道支护中问题的难点。

康红普[1]将复杂地质条件围岩分为低强度软岩、膨胀性软岩、高地应力软岩、节理化软岩、复合型软岩5大类型。认为复杂地质条件下巷道围岩变形量大，有明显的时间效应，表现为四周来压，且对环境变化比较敏感。柏建彪等[2]研究认为深部巷道围岩控制的基本方法是提高围岩强度、转移围岩高应力以及采用合理的支护技术。刘全林[3]等建立了锚注支护计算的力学模型，分析了锚注支护对具有流变特性围岩在维护其稳定性方面的作用，表明锚注支护对维护破碎围岩的稳定具有显著效果。尹光志[4]等通过现场多种支护方式试验对比与测试表明“锚梁网+拱形支架”联合支护是一种有效的、适合高应力软岩下的巷道支护方式。

由以上分析可见，复杂地质条件下的巷道围岩变形机理千差万别，一般是一种或多种类型的组合，但都表现为巷道围岩初期来压快、变形大，极易发生冒顶、片帮等破坏现象，并伴随有强烈底鼓。其支护方法往往具有某些共性，掌握并在现场施工中遵循这些基本原理和方法，才能保证复杂地质条件下巷道的支护效果。

1 复杂地质条件围岩支护对策

对由于地应力、动压、地质构造、成岩作用及岩体成分等因素影响复杂困难巷道，应从以下几个方面改进巷道支护设计。

（1）以深入认识巷道地压显现规律为前提。巷道支护荷载的复杂变化表现为巷道地压显现，尤其对于复杂地质条件下巷道，其围岩变形破坏对地压显现十分敏感。巷道支护设计中应首先正确掌握巷道地压显现规律，所以说深入认识巷道的地压显现规律是解决此类巷道支护的前提。

（2）以认清巷道围岩变形破坏机理为基础。复杂地质条件下巷道围岩变形破坏可能受围岩强度低、遇水膨胀、高地应力等多种因素影响。找到引起巷道围岩变形破坏的主要控制性因素，能有效避免巷道支护设计的盲目性，从而正确认识巷道围岩结构特征及其变形破坏机理，这是有效进行巷道围岩控制的基础。

（3）以开发针对性的支护设计方法为手段。煤矿井下掘进巷道所面临的地质环境千差万别，常规的支护设计方法及其施工工艺没有考虑巷道的特殊条件，往往造成支护效果不佳。因此在掌握巷道地压显现规律和围岩变形破坏机理的基础上，考虑该煤矿的特有的地质和生产技术条件，开发具有针对性的支护设计方法，是解决此类巷道支护的唯一手段。

（4）以形成动态设计方法为目的。巷道的支护方案往往是在巷道还未施工时，根据有限的地质资料即设计完成，其适用性不得而知。煤矿井下巷道掘进过程中，其地质条件在不断变化，并且受到各类采动应力的影响，但其支护方案往往不能根据地质条件的变化及时更改，这些因素都会影响巷道的支护效果。

动态设计方法是指先根据现有的地质条件进行巷道支护初步设计，在施工过程中布置监控测试系统，从矿井巷道的开挖及支护过程中获得围岩稳定性及支护设施的工作状态信息，通过分析研究这些信息可以间接地描述围岩的稳定性和支护作用，反馈于施工决策和支持系统，修正和确定新的开挖方案的支护参数。这个过程随每次掘进开挖和支护的循环进行一次，以及时改正巷道支护参数中的不妥之处，保证支护方案的适用性。

2 矿井概况

西山煤电主要开采西山、河东、霍西3大煤田的煤炭资源，煤田面积789km2，资源总量92.1×108t。试验矿井盘区内煤系地层太原组—山西组地层总厚163.6m，盘区内含煤系数6.55%,太原组沉积环境为海陆交互相，由灰黑色泥岩、深灰色砂质泥岩、灰色粉砂岩、灰色细砂岩、灰色中砂岩、灰白色粗砂岩、深灰色石灰岩、煤层组成。8#、9#煤层稳定，盘区内主要的全区可采煤层。8#煤厚平均为3.28m。9#煤厚平均3.59m。

试验巷道位于北翼下组总回风巷附近9#煤层，该区域基本为一北东高南西低的单斜构造及次一级褶皱构造，陷落柱发育。9#煤层厚度4.08m左右，煤层坚固性系数f≈0.7～1.0，老顶为灰色石灰岩，厚度约7.19m，较硬，灰色石灰岩,团块状,中部夹薄层黑色泥岩；直接底为深灰色页岩，厚度约2.45m，老底为深灰色细砂岩。

该矿采区巷道沿煤层底板掘进，巷道所处地质条件复杂，支护难度大，支护后巷道围岩破坏严重，一般需多次返修。

3 巷道矿压显现规律

该矿综采工作面在巷道初期施工中，使用∅20mm×2500mm左旋螺纹钢树脂锚杆，∅15.24mm× 7300mm钢绞线锚索，“T100”型钢带支护。巷道掘进过程中，伴随着综掘机的前进，巷道顶部与边帮频繁出现煤爆声，顶板附近的煤壁肉眼观察可见片状煤块掉落，煤壁片帮明显，成大块条状掉落，巷道断面难成型，个别发生锚索断裂的现象。此外巷道底鼓严重，随掘随鼓，一般底鼓量为800～1000mm，巷道掘进施工完成后，必须专门进行二次起底，才能保证巷道高度，满足使用要求，回采期间工作面顺槽变形严重，巷道两帮收敛达1.5～2.0m，顶底板收敛变形达2.0～2.5m。

其中工作面回风顺槽施工至500m处发生顶板冒落，长度23m，高度7.5m。现场勘察发现：冒落段有裂隙，煤层直接顶板泥岩厚度达4.5m，滑面发育，钢绞线锚索有个别断裂，其他锚索锚固段正常。工作面运输顺槽420～450m段，巷道顶板下沉达200mm左右，多处锚索、钢带断裂，钢托梁变形。

4 巷道支护动态设计方案

由以上分析可知，巷道所处地质条件复杂，巷道围岩破坏主要原因为埋深大、地应力高、节理裂隙和滑面等结构面发育，底板岩层含有一定的粘土矿物和有机质，遇水膨胀，强度迅速降低。根据其巷道围岩变形破坏特点，巷道支护应做到以下几点：

（1）加强临时支护。应用交错式掘进超前支护装置，加强掘进临时支护，提高临时支护强度，防止顶板离层。

（2）严格控制控顶距离，及时支护。永久支护紧跟工作面迎头，减少空顶时间，防止顶板离层下沉，减少巷道片帮。

（3）加强支护质量管理。锚杆、锚索安装质量要符合要求，特别是锚杆预紧力、锚杆抗拉拔力、锚索预紧力等必须一次到位，并随时检查，发现松动应及时二次上紧，杜绝锚杆、锚索失效，确保支护强度。

根据现场施工反馈，在巷道支护参数方面做了如下调整：

（1）提高锚索等级，锚索直径由∅15.24mm、∅17.8mm提高到∅21.8mm；锚索长度由7.3m提高到8.3m。

（2）提高锚索布置密度，由1600mm×1600mm，优化调整为800mm×1600mm。

（3）提高“T”型钢带等级，由“T100”型提高到“T140”型。

(4)巷帮由原来的单个锚杆支护，优化调整为锚杆钢带支护，采用“T”钢带将巷帮锚杆铰接成整体，提高巷帮支护的强度。

(5)应用瑞米加固Ⅰ号固化顶板，瑞米加固I号属双组分有机复合树脂材料，双组分注浆树脂混合注入破碎煤、岩体后能迅速反应并凝固，生成高强度、高韧性的树脂材料，实现对破碎煤、岩体的加固及对其裂隙的封堵和阻燃。

在此基础上，在工作面设计时，研究选择适当的巷间区段煤柱，尽量将巷道布置在降压区内，使工作面巷道所承受的载荷较小，减小采动压力的影响。

在巷道采用底角锚杆爆破注浆技术，辅以底板卸压槽，加强巷道底鼓治理，减少底鼓对巷道围岩整体性的破坏，并采用C30混凝土配合钢筋浇注反底拱。

此外，加强对巷道顶底板移近量、两帮收敛量、离层发育情况、锚杆（索）荷载等矿压显现参数监测，掌握巷道围岩变形破坏特征，预测可能发生的巷道事故，随时采取一定的加强支护措施，并将支护效果反馈给支护设计，及时更改原设计中的不足之处。

采取以上支护措施之后，工作面顺槽巷道顶底板移近量有了明显的减少，最大顶底板移近量为不到200mm，未发生冒顶、片帮事故，巷道顶板未发生明显离层、下垂及网兜现象，基本不再需要返修。及时施加临时支撑后，巷道在工作面采动压力影响下未见明显破坏，保证了工作面安全、顺利生产。

5 结论

（1）总结发现复杂地质条件下巷道围岩变形破坏规律有初期来压快、变形大，极易发生冒顶、片帮等破坏现象，并伴随有强烈底鼓等共同特点。

（2）分析认为复杂地质条件下巷道支护对策应做到：从深入认识巷道地压显现规律，加强巷道围岩变形破坏机理的认识，开发具有针对性的支护设计方法，形成动态信息化设计方法。

（3）通过工程实例分析认为巷道围岩破坏主要原因为埋深大、地应力高、节理裂隙和滑面等结构面发育，底板岩层含有一定的粘土矿物和有机质，遇水膨胀，强度迅速降低。并给出了相关的支护优化措施，取得了较好的支护效果。

[1]康红普.复杂地质条件巷道支护技术现状与发展趋势[C]//中国科协2004年学术年会第16分会场论文集，中国煤炭学会,2004:319-326.

[2]柏建彪,侯朝炯.深部巷道围岩控制原理与应用研究[J].中国矿业大学学报,2006(2):145-148.

[3]刘全林,杨敏.软弱围岩巷道锚注支护机理及其变形分析[J].岩石力学与工程学报,2002(8):1158-1161.

[4]尹光志,王登科,张东明.高应力软岩下矿井巷道支护[J].重庆大学学报：自然科学版,2007(10):87-91.

TD32

A

1004-5716(2015)01-0179-03

2014-06-24

崔中明（1968-），男（汉族），山西昔阳人，工程师，现从事煤矿机电设备技术管理工作。