受陷落柱影响区巷道支护优化设计研究

郝占玺

（山西大同煤矿集团公司云冈矿，山西 大同 037017）

煤系地层中时常会伴有陷落柱等构造，陷落柱内部主要为软弱岩体或者散体。在煤矿开拓主要运输巷道时遇到陷落柱后的主要做法，一般为按照原设计施工直接穿过陷落柱。该方法给巷道维护和顶板管理造成很大困难，也增加巷道的维护费用。巷道过陷落柱构造区域的支护，常规的方式是采用架棚和表层喷射混凝土工艺。该方式在经过一定的维护期之后，巷道会发生较大变形，影响煤矿正常生产。根据云冈矿8#煤层大穿越陷落柱的实际情况，提出采用主动和被动支护相结合的支护方式控制巷道围岩，取得理想效果。

1 概况

8#煤辅运大巷、主运大巷与回风大巷均受到陷落柱构造影响。陷落柱呈椭圆形平面，各巷道沿轴向方向直接影响区域分别为180 m、220 m 和240 m。巷道掘进发现陷落柱中的岩性为风氧化煤、黄泥、黄土、砂岩互层，且含有丰富的水分，易诱发顶板冒落和片帮。通过深钻孔测得陷落柱中土样吸水性极强，吸水饱和后崩解，黄泥中含蒙脱石，吸水后具有膨胀性，陷落柱中泥岩受水浸泡后强度极低或基本无强度。

8#煤层辅运大巷、主运大巷及回风大巷断面均为三心拱，高3.9 m，宽5 m，断面19.5 m2。3 条巷道均采用U29 钢架棚支护，四合一拱形支架，腿长4.2 m，梁长2.4 m。棚距中对中0.6m，梁腿搭接长度0.4 m，卡距0.4 m，每棚使用6 副卡缆，8 个拉钩，利用菱形网绷紧，空帮、空顶的部分用长0.8 m 半圆木接实或用1.2 m 长预制水泥板接实。铺网，顶、帮均铺金属网，金属网搭接长度100 m，每300 mm用12 号双股铁丝扎紧。架棚后喷射混凝土，强度C20，喷射厚度150 mm，巷道支护情况如图1 所示。

2 受陷落柱影响的巷道围岩变形原因

2.1 巷道围岩变形状况

8#煤层辅运、主运和回风3 条巷道在陷落柱影响区域段使用期间均发生较严重变形，辅运大巷变形最严重，其次是主运大巷，变形最小为回风大巷。其中2016 年辅运大巷和主运大巷进行过全面整修，整修前巷道围岩变形特征为：

（1）U 形钢支架被压回缩，顶部被压平，帮部棚腿向巷内变形弯曲，混凝土喷层开裂脱落，片状悬挂，内部陷落柱黄泥鼓出。

（2）变形破坏严重程度最大的区域为辅运大巷与主运大巷之间的岩柱区域，实测巷道变形量最大值主运大巷移近量为1.50 m，两帮移近量为0.95 m。

图1 8#煤层巷道原支护形式

为保障生产正常进行，于2016 年对主运大巷和辅运大巷进行了全面整修，扩帮和起底，并采用原有支护方式对巷道进行了二次支护。但在1 年后，巷道又出现较为严重的破坏，表现为顶板混凝土喷层脱落，巷帮出现一条水平方向裂缝，裂缝上下部变形出现不协调，也有些区域巷道变形并不严重。

2.2 巷道围岩变形原因分析

通过现场调研陷落柱形态、内部构造、岩性、巷道尺寸及其与陷落柱位置关系等，分析得出陷落柱影响区大巷发生变形破坏原因如下：

（1）8#煤层3 条大巷处于陷落柱影响区域，陷落柱岩体完整性差，强度低。巷道深钻孔观测结果表明，巷道15 m 范围内多为砂土和黄泥等，围岩稳定性差，易于发生变形和破坏。

（2）由于陷落柱内岩体软弱且含水，在长期的矿山压力作用下，被动支护体会发生侵蚀和破坏。

（3）3 条大巷支护采用U 形钢加喷射混凝土支护，支护方式为被动支护，在长期难自稳的岩体作用下，矿压积累显现程度会逐渐增加，出现变形过大现象。

综上所述，受陷落柱影响区3 条大巷服务时间长，重要性高，要求长期处于稳定状态，但受陷落柱影响，有些区域经过2 次维修仍存在一定问题。因此，巷道支护方式需要优化，以增强围岩承载能力，提高巷道的稳定性，延长巷道翻修周期。

3 巷道受陷落柱影响区优化支护模拟研究

8#煤层3 条大巷受陷落柱影响区域的支护优化是在巷道维护方式上做出的变革，采用主动支护和被动支护联合控制的方法控制巷道的稳定，在增加锚杆索的同时确定降低棚式支护的密度，并合理优化其支护参数。其模拟方案设计如表1 所示。

表1 8#煤层3 大巷道锚杆索优化支护模拟方案设计

综合表1 模拟方案结果可知，8#煤层3 条大巷受陷落柱影响区域采用U 形棚与锚杆索联合支护技术关键参数：锚杆间排距900 mm×900 mm，锚索为每排2 根，锚索长度为5.0 m，U 形棚的棚距为900 mm。

4 支护优化方案

结合工程类比法、原有支护方案的一些参数以及现场具有的设备和材料，设计出8#煤3 条大巷优化后的支护方案均采用锚杆索架棚与喷浆联合支护方式，如图2 所示。

4.1 锚杆索支护参数

顶锚杆采用Φ22 mm 无纵筋螺纹钢锚杆，长度2.1 m，使用1 根K2335、1 根22360 树脂锚固剂。从巷道中线开始，间排距为900 mm×900 mm，共打7 根锚杆。顶板网片采用Φ4 mm×80 mm 焊接方格网，长×宽=3 m×1.3 m，网片相互搭接长度为100 mm。

顶锚索采用Φ17.8 mm 的钢绞线，长5.3 m，孔深5.0 m。每个锚索钻孔装1 根K2352、2 根Z2360树脂药卷。每排布置3 根锚索，从中线开始每1.8 m安装1 根，间排距1800 m×1800 mm。托板规格为250 mm×250 mm×10 mm。

帮锚杆采用Φ22 mm 无纵筋螺纹钢锚杆，长度2.4 m，间排距900 mm×9900 mm，每孔使用1 根K2335 和1 根Z2360 树脂锚固剂。每排每帮布置3 根锚杆，最下1 根安设角度与垂直方向成15°，其余2 根锚杆水平布置。两帮锚杆铁托板规格为200 mm×200 mm×10 mm。

4.2 棚式支护与混凝土加固

架棚采用U29 钢拱形支架，腿长为4.2 m，梁长为2.4 m。棚中对中0.9 m，粱腿搭接0.4 m，卡距0.4 m。每棚使用6 副卡缆、8 个拉钩，利用菱形网绷紧，空帮、空顶的部分用长0.8 m 半圆木接实，顶、两帮均铺金属网，金属网搭接100 mm。架棚后喷射混凝土，强度C20，喷厚度150 mm。

图2 锚杆索架棚与喷浆联合支护方式

5 现场试验效果

在8#煤层辅运大巷、主运大巷与回风大巷内设置的离层监测测点显示，3 条大巷的顶板离层均不明显。过3 个月后的表面位移观测发现，巷道的表面位移有一定的变化，辅运大巷内的3 个测点的巷道两帮移近量平均为15 mm，顶板下沉量10 mm；主运大巷的3 个测点的两帮移近量平均值20 mm，顶板下沉量13 mm；回风大巷的3 个测点两帮移近量约为12 mm，顶板下沉量8 mm。这说明3 条大巷经维修后，巷道变形量较小，优化设计后的支护方案可以有效控制巷道围岩的变形，巷道内不会发生剧烈变形和破坏，优化支护设计方案合理有效。

6 结论

陷落柱影响区的大巷围岩软弱不稳定，不能实现围岩自稳是造成巷道持续出现变形的主要原因。对云冈矿8#煤层受陷落柱影响的3 条大巷的支护进行了优化设计，在巷道围岩进行分类的基础上确定支护设计原则。根据模拟试验确定8#煤3 条大巷优化后的支护方案均采用锚杆索架棚与喷浆联合支护方式，实践应用效果理想，有效地控制了巷道的围岩变形。