破碎围岩巷道支护参数设计

张 敏

（汾西矿业曙光煤矿， 山西 孝义 032300）

引言

随矿井采深的增加，巷道掘进过程中面临的围岩破碎、支护困难等问题更为明显，如何确保破碎围岩巷道稳定是矿井生产过程中需要解决的现实问题[1-2]。在破碎围岩中采用注浆锚杆对围岩进行控制较为广泛，在使用过程中仍会面临预紧力不足等问题，无法满足破碎围岩控制需要[3-6]。文中以山西某矿15 号煤层回采巷道掘进为工程背景，根据围岩岩性特征对破碎围岩采取的支护参数进行设计，并进行现场应用，有效控制了围岩变形。

1 工程概况

某矿15 号煤埋深560 m，顶底板岩性以砂质泥岩、泥岩为主。15206 采面回风巷在掘进过程中由于受到DF109 断层、褶曲影响，围岩较为破碎。具体煤层顶底板岩性见表1。

表1 顶底板岩性

15206 回风巷设计断面为矩形（宽×高=4.0 m×2.8 m），掘进长度为1 205 m，原设计支护为锚网索+W钢带形式，由于围岩破碎，巷道变形严重，不能确保后续使用安全。具体围岩变形表现为顶板及巷帮变形量大，巷道由于受到较大的地应力影响，加之选用的支护参数不合理，顶板下沉、巷帮位移量较大，变形呈现出“网兜”状；巷道底板岩性为泥岩，强度低、完整性差，在较大水平应力下底板即会出现较大的底鼓变形。因此，需要针对巷道掘进实际条件对支护参数进行重新设计。

2 围岩支护设计

针对岩层破碎，围岩变形量大问题，提出注浆+锚网索支护形式对围岩进行控制，注浆采用新型注浆膨胀锚杆。

2.1 注浆膨胀锚杆设计

采用的注浆膨胀锚杆具体结构见图1。采用位于端头的膨胀套管产生膨胀力，从而给锚杆以足够的锚固力，提升锚杆围岩控制能力。杆体上有出浆孔，通过注浆使锚杆与围岩成为一体，在提高围岩自身稳定性的同时增加锚杆与围岩摩擦力。

图1 注浆膨胀锚杆具体结构

2.2 支护参数设计

具体围岩支护参数采用“锚索+注浆膨胀锚杆+W 钢带+钢筋网”形式，并采用工程类比法确定巷道支护参数，具体支护设计见下页图2。

1）锚索。在巷道顶板两端布置锚索（Φ17.8 mm×9 000 mm），外插角为15°，材质为钢绞线。锚索的极限抗拉强度为1 900 MPa 以上，间排距设计为3 500 mm×1 500 mm。

图2 巷道支护断面（单位：mm）

2）注浆膨胀锚杆。受到断层、褶曲影响，巷道掘进范围内围岩破碎，因此在顶板及巷帮均采用注浆膨胀锚杆，锚杆杆体直径为24 mm、长度为2 400 mm，配套采用高强螺母。采用M20 水泥砂浆注浆，间排距分别为800 mm、1 000 mm，预先施加的预紧力力矩为450 N·m，锚杆杆体末端外露长度在20～45 mm 之间。

3）W 钢带。在巷道顶板及巷帮均采用规格为3 600 mm×280 mm×5 mm 的高强5 孔W 钢带对围岩进行控制。

4）钢筋网。在顶板、巷帮支护采用的钢筋网采用Φ6.5 mm 镀锌钢丝编织而成，长、宽分别为2 000 mm、1 100 mm，两个相邻的钢筋网搭接长度在150 mm 以上。

2.3 支护模拟分析

用FLAC3D 分析支护参数，模型长、宽、高分别为180 m、80 m、83.5 m，分析设计巷道支护参数围岩控制效果。

具体巷道原支护以及现支护方案围岩受力云图见图3。从图中看出，原支护及新支护时巷道围岩受力变形不显著，但在新的支护方案下顶板及巷帮受力变化不明显，顶板应力降低明显，从-20 MPa 降低至-15 MPa，巷帮应力也有显著降低，表明新的巷道支护参数较原支护参数更为合理。此外，当围岩破碎时岩层对受到的围岩应力较为敏感，较小的围岩应力即会造成巷道较大变形，降低巷道周边围岩应力可以显著降低巷道围岩变形量。从模拟结果得知，新设计的巷道支护参数可以满足矿井15206 回风巷围岩控制需要，确保巷道后续使用安全。

图3 巷道围岩受力（MPa）云图

3 围岩支护效果分析

待巷道采用设计的支护参数支护完毕后，在支护段内每隔25 m 布置一个测站，共计布置4 个测站对破碎巷道围岩变形量进行监测，具体结果见图4。

图4 围岩变形监测结果

从监测结果看出，15206 回风巷采用新设计的支护方案对围岩控制后，巷道围岩变形在初期变化较大，支护完成50 d 后围岩变形量逐渐趋于稳定。最终稳定后的巷道顶板、底板、左侧帮及右侧帮围岩变形量分别为70 mm、300 mm、105 mm 及120 mm，巷道围岩整体变形量不大。综合围岩变形监测结果得知，采用设计的巷道支护参数可以满足15206 回风巷破碎围岩控制需要。

4 结论

针对矿井15206 回风巷围岩破碎问题，采用模拟分析、工程类比以及现场实测等技术手段，对巷道围岩支护参数进行设计研究，取得如下主要结论：

1）巷道围岩破碎时确保围岩稳定是降低围岩变形量的一个重要方面，采用新型的膨胀注浆锚杆通过注浆可以将破碎岩层胶结成一个整体，在锚杆、围岩共同作用下来抵抗围岩应力，同时在锚杆端头采用的膨胀套筒提供的膨胀力提升了锚杆锚固力，可以给锚杆施加更大的预紧力。

2）具体采用锚索、注浆膨胀锚杆、锚网及W 钢带对巷道围岩进行控制，并详细设计了巷道支护参数，后采用FLAC3D 对支护效果进行分析，采用设计的巷道支护参数可以降低围岩应力集中程度，从而降低破碎围岩巷道变形量。现场应用后，顶板、底板、巷帮最大变形量为70 mm、300 mm、120 mm，围岩变形量在安全范围内，不会给巷道后续使用带来安全影响。