巷道联合支护控制技术及围岩变形规律研究

何鹏飞

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿，山西 方山 033000）

随着社会发展和科技进步，矿山设备也在不断发展和革新，同步要求矿山支护控制技术水平不断提升，以实现最佳巷道掘进与支护效果[1-4]。

本文以木瓜煤矿南区左翼下组煤辅助运输巷支护控制为研究对象，通过数值模拟分析了联合支护技术的围岩变形及塑性区发展控制效果[5-7]，以期为类似工程提供设计施工依据与技术指导。

1 工程概况

木瓜煤矿位于山西省吕梁市方山县大武镇木瓜村，南区左翼下组煤辅助运输巷上部地表主要以侵蚀性黄土梁峁为主，其次为黄土沟谷地貌。采掘范围地表上方及以东为盛地沟村，西北方向有任家塔村，西南方向有徐家山村。工作面地表有一条通往盛地沟村的乡村水泥路及窑洞、砖瓦房，无高压线塔、油气管路及水体。掘进期间，煤层顶板采用锚网梁支护，顶板岩层下沉量微小，预计不会影响到地表建筑物。盖山厚度为241～275 m。

南区左翼下组煤辅助运输巷长1 227.2 m，位于采区中部，沿东西方向布置，开口穿层见9#煤顶板后沿煤层顶板掘进。

南区左翼下组煤辅助运输巷布置在石炭系下统太原组的9#、10#煤层中，煤岩层赋存较稳定。顶板均为石灰岩，平均厚度为19.7 m；底板为砂质泥岩，厚度为0.8～2.6 m。9#煤层厚度为2.2～3.8 m，10#煤层厚度为1.4～1.8 m，9#煤与10#煤层夹矸厚度为0.3～1.0 m。巷道直接顶板为泥岩、砂质泥岩，基本顶砂岩节理较发育；底板为粗砂质泥岩、泥岩，裂隙较为发育，易发生大变形，若支护不及时或不合理，易产生巷道变形破坏，影响巷道正常掘进施工。

2 巷道联合支护控制技术

南区左翼下组煤辅助运输巷采用机掘一次割煤成巷的方法进行开口，采用胶带输送机出煤，采用锚网索喷联合支护，顶部采用锚杆、锚索加金属网联合支护，帮部采用锚杆加勾花网联合支护，如图1。

图1 巷道支护控制技术（mm）

为将锚杆加固的“组合梁”悬吊于坚硬岩石中，采用高强度锚索进行加强支护，制定巷道支护控制技术为锚网索+喷浆支护。对于巷帮片帮严重或压力显现较大地段等，需用锚索、钢棚、点柱进行加强支护，具体支护形式根据现场实际情况，制定加强技术措施。支护材料采用矩形金属焊接网、勾花网、螺纹钢锚杆等。

巷道支护控制参数如下：

（1）锚索支护。仅在巷道顶板采用锚索支护，锚索间排距1600 mm×1600 mm，矩形布置，顶部布置3 根直径17.80 mm、长度7300 mm 锚索；在顶板破碎、顶板淋水严重等地段，采用补打锚索形成五花断面。

工作面开口处在原有支护措施的基础上，补打锁口锚索4 根，锚索采用Φ17.80 mm，1×7 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度7300 mm，间距1200 mm，垂直顶板岩层，初次张拉力230 kN，预紧力损失后不低于180 kN。

（2）锚杆支护。间排距800 mm×800 mm，呈矩形布置，每排7 根。锚杆规格为Φ20 mm、L2200 mm 的左旋螺纹钢锚杆。托板150 mm×150 mm，厚8 mm。锚杆锚固力≥105 kN，锚杆扭矩300 N.m。

顶部中间锚杆垂直顶板，靠近两帮顶锚杆与顶板呈75°夹角布置且距两帮各200 mm，锚杆托盘要紧贴顶板。巷道顶板锚杆支护严格按照支护设计间排距要求打设，当局部片帮或超宽，顶角锚杆距帮部大于400 mm 时，必须在顶角处补打锚杆。掘进时顶板永久支护距离工作面迎头最大不超过200 mm，探水时两帮支护需紧跟工作面。

（3）钢筋网。钢筋网片Φ6 mm，长× 宽=2000 mm×1000 mm，网格长×宽=100 mm×100 mm。网片搭接长度至少为100 mm，每200 mm 联网一道，采用14#铁丝相连，扭结不小于3 圈，长边、短边均搭接；帮部采用勾花网支护，勾花网Φ2.8 mm，长×宽=2000 mm×1100 mm，网格长×宽=100 mm×100 mm，网片搭接长度至少为100 mm，每200 mm 联网一道，采用14#铁丝相连，扭结不小于3 圈，长边、短边均搭接。

（4）喷射混凝土。喷射混凝土强度为C20，混凝土强度抗拉70 MPa，抗压1.4 MPa，配比为水泥:砂:石子=1:2:2，速凝剂掺入量一般为水泥重量的3%～4%，速凝剂必须在喷浆机上料口均匀加入。

3 巷道支护稳定性数值分析

根据围岩地质条件，建立FLAC3D数值计算模型，模拟巷道掘进施工围岩变形和塑性区发展情况。

3.1 建立数值模型

建立50 m×50 m×50 m 巷道数值计算模型。边界条件采用底部边界固定，竖向边界采用水平约束。巷道围岩采用Mohr-Coulomb 弹塑性模型进行模拟分析。围岩地质力学参数见表1。

表1 围岩地质力学参数

3.2 巷道围岩变形特征

巷道开挖后（尚未进行支护），其围岩收敛变形及底鼓变形如图2，可以看出：

图2 巷道围岩变形曲线

（1）巷道两帮收敛量最大值为170 mm，巷道围岩应力释放较大，变形超过可控范围。底鼓变形量达到350 mm，不能满足围岩变形要求，说明需立即进行锚网索喷联合支护。

（2）巷道支护前，其底鼓变形量超过350 mm，且变形速度最大为52 mm/d，不满足安全控制要求，且变形时间较长，巷道难以自稳。

巷道采用锚网索喷联合支护后，其围岩变形情况如图3、图4。可以看出，采用锚网索喷联合支护后，巷道两帮变形量减少约45.5%，顶板下沉量为50 mm，减小了52%，底鼓变形量为46 mm，减小了77.5%，取得了良好的变形控制效果。说明该支护方式具有较高的变形控制效果，支护体系联合发挥稳定控制效果，有效控制了围岩的演化变形。

图3 巷道围岩变形图

图4 巷道围岩变形曲线

3.3 塑性区发展特征

巷道采用锚网索喷联合支护后，其围岩塑性区发展特征如图5。可以看出，采用锚网索喷联合支护后，巷道围岩塑性区范围明显减小，顶板及两帮塑性区范围也相应减小，尤其是底板下部泥岩及泥质砂岩层基本未发生塑性破坏，底板受拉塑性破坏得到明显改善。

4 结论

根据巷道地质情况，提出了锚网索喷联合支护控制技术，顶部采用锚杆、锚索加金属网联合支护，帮部采用锚杆加勾花网联合支护。通过数值模拟分析和现场监测表明，该支护技术能够有效控制围岩变形，巷道顶板下沉量减小了52%，两帮变形量减少约45.5%；巷道围岩塑性区范围明显减小，顶板及两帮塑性区范围也相应减小，工程应用效果良好。