耦合支护在深部巷道稳定性控制中的应用

2020-06-10张杰

山东煤炭科技 2020年5期

张杰

（太原煤炭气化（集团）有限责任公司，山西太原 030006）

1 工程概况

太原煤气化集团华胜煤矿北运输大巷埋深在790～805m 之间，巷道围岩以粉砂岩为主，伴有泥岩夹层，也含有少量的菱铁矿结核。从巷道开挖情况来看，该地层中包含有较多的植物根茎化石，节理发育也相对较多。北运输大巷原支护采用锚网索支护，锚杆为Φ18mm×1800mm，锚索为Φ17.8mm×4800mm。在北大巷开掘之后，巷道出现明显变形破坏，虽进行了两次拓帮、挑顶、挖底修复，但巷道整体仍在较短的时间内出现较大破坏。

2 北运输大巷变形破坏特征及机理

2.1 变形破坏特征

（1）巷道围岩整体变形量较大，变形的速度也相对较快。从现场勘查情况来看，巷道掘进之后，其收敛的速度超过了55mm/d。其中，顶板下沉量最大的位置超过了1100mm，底鼓量最大超过了550mm，两帮整体相对移近明显，收敛量在1500mm 左右，巷道底板的轨道多数区段已经被掀翻，运输大巷已经不能使用。巷道变形破坏图如图1 所示。

图1 北运输大巷变形破坏图

（2）巷道围岩遇水膨胀明显。巷道围岩出现了明显的遇水膨胀泥化的情况，分析导致这种情况出现的原因与巷道中包含有较多的菱铁矿、蒙脱石等膨胀性软岩成分有关，在遇水的情况下，出现了明显的泥化、软化[1]。

（3）巷道原支护构件出现大范围失效。巷道顶板、两帮锚杆、锚索出现的外移情况较多，这说明在巷道围岩变形的过程中，锚杆、锚索支护体已经失去原有的支护效能，随着巷道变形量的不断增加，锚杆、锚索被拉断，应有的支护作用不能有效发挥出来。

2.2 巷道围岩变形破坏机理分析

（1）围岩强度相对较低，整体自稳能力较差。通过从现场取样，在实验室选择使用panalytical 多功能粉末X 射线衍射仪对本次采样的岩样进行了分析，得到了粉砂岩、泥岩、粉细砂岩中主要成分以石英为主，同时，菱铁矿、蒙脱石、钠长石、斜长石等黏土矿物所含的比例相对较高，遇水容易出现明显的膨胀，产生的膨胀压力进一步加剧了巷道的变形破坏[2]。节理与裂隙发育明显，导致围岩整体呈现出松散破坏，极限承载能力较低。

（2）周边工作面采动影响明显存在，北运输大巷所处的应力环境较为复杂。从工作面分布情况来看，距离北运输大巷较近的煤层有9#、10#、11#煤层，这些煤层群的开采，再加上北运输大巷周边的硐室、联络巷、石门交叉点等开掘，形成非常复杂的应力场，导致北运输大巷在开掘和使用的过程中出现应力集中的情况。

（3）支护参数设计不够合理。从原支护方式来看，锚杆支护长度为1.8m，锚索支护长度为4.8m。而通过现场使用围岩松动圈探测仪测量得到巷道围岩松动圈的范围已经平均超过了5m，这说明锚杆支护并不能有效在巷道的浅部形成一个完整的支护结构，锚索支护也没有将深部稳定围岩对浅部围岩的悬吊作用发挥出来。同时，巷道底板未进行支护，导致底板成为了巷道应力释放的空间，底板的大变形破坏也直接影响到巷道两帮、顶板的稳定性。从现场勘查情况来看，巷道底板也存在涌水的情况，进一步降低了巷道底板及两帮围岩的极限承载能力。

3 巷道返修支护

3.1 返修支护方案设计

设计选择使用“锚网索+U型钢+关键位置注浆”的耦合支护方式。

（1）锚网索支护。针对原支护方式中锚杆、锚索支护并没有真正发挥作用的实际，本次返修选择使用锚杆Φ22mm×2800mm，锚索Φ22mm×6300mm，进行挂网喷浆，确保在巷道浅层形成“锚杆+金属网+喷浆”初次支护结构，限定巷道围岩变形，充分调动浅层围岩的自稳能力。锚索长度的加长更好调动深部稳定巷道对浅层巷道的稳定作用，实现对巷道浅层围岩的有效悬吊。此外，考虑到巷道底板底鼓明显的情况，选择使用锚杆进行针对性的补强[3-4]。

（2）考虑到北运输大巷所处位置整体应力场较为复杂的实际，设计选用U36 型钢组成一个外部支护结构。各个钢支架之间选择使用钢条带连接，更好提升支护体的整体支护效能。随着巷道变形的不断增加，U 型钢支架实现“高阻让压”的效果，与锚网索喷之间和巷道围岩自承载之间形成明显的强度和刚度的耦合，实现对巷道整体变形的有效控制。

（3）考虑到巷道底板涌水给巷道围岩稳定性带来的影响，设计选用注浆锚杆对巷道底板进行注浆加固，实现对巷道底板及两帮围岩下部裂隙的有效封堵，更好提升巷道底板和两帮围岩的极限承载能力[5]。

具体支护示意图如图2 所示。