条带砌碹支护在巷道掘进过断层破碎带支护中的应用

郭 威

（山西煤炭运销集团古县东瑞煤业有限公司， 山西 临汾 042045）

引言

在矿井开采、回采巷道掘进等环节中难以避免会揭露断层、褶曲、陷落柱等地质构造，在地质构造破碎带内掘进时围岩面临破碎、承载能力差、应力集中等问题，给巷道正常的掘进安全带来制约[1-2]。现阶段众多的研究学者对破碎带内围岩支护技术展开研究，并提出采用管棚超前支护、超前锚杆支护、围岩注浆、分布耦合支护等技术方案，取得一定的应用成果[3-6]。但是受到围岩破碎、承载能力差以及采动压力等多重因素影响，断层破碎带内巷道围岩变形量较大。山西某矿3506 运输巷设计掘进长度3 680 m，服役时间接近3 年，巷道掘进至围岩破碎带时面临围岩变形严重、支护难度大以及频繁修整等问题，为此，提出将原有的锚网索喷支护方式优化为条带砌碹支护方式，通过增强支护强度来达到控制围岩变形的目的，围岩控制取得较好效果。

1 3506 工作面工程概况

3506 工作面开采5 号煤层，煤厚介于3.17～5.26m，赋存稳定，顶底板以泥岩、粉砂岩等为主。3506 工作面设计推进长度3 638 m，采面斜长268 m，设计开采时间2.2 年，为矿井主力生产采面。3506 运输巷沿5号煤底板掘进，巷宽6.0 m、高4.9 m，直墙半圆拱型断面，根据已有地质资料显示，3506 运输巷掘进过程中会揭露F18、F5 以及F86 等断层，具体对巷道掘进影响较大的断层参数见表1。

表1 3506 运输巷掘进揭露部分断层参数

巷道围岩支护采用锚网索喷方式，巷道全断面铺设钢筋网（1 500 mm×800 mm×100 mm）、喷射C25混凝土（厚度100 mm）；锚杆规格Φ20 mm×2 500 mm，间排距800mm、800mm；锚索规格Φ21.8mm×7100 mm，间排距1 200 mm、1 600 mm。3506 运输巷在地应力、构造应力以及围岩破碎等因素综合作用下，导致巷道围岩变形量大，局部位置出现锚喷层脱落、金属网外露以及顶板、量帮变形量大等问题，具体巷道位置变形情况如图1 所示。矿方技术人员及管理人员通过对巷道变形特征进行分析，并结合其他矿井破碎围岩巷道控制策略，提出通过增强巷道支护强度的方式提高围岩控制效果，具体采用条带砌碹方式对围岩进行支护。

图1 巷道遇断层破碎带围岩变形现场图

2 条带砌碹支护应用

砌碹支护可显著提高巷道表层围岩支护强度，从而达到降低围岩变形量的目的。3506 运输巷在围岩条件相对较好区域采用锚网索喷支护方式时可满足围岩控制需要，仅在围岩破碎区出现变形量较大的问题，为此为提高巷道支护工程量并降低支护耗时，条带砌碹支护仅在破碎带及两侧各5 m 范围内采用。

2.1 条带砌碹支护混凝碹体厚度确定

条带砌碹碹体厚度与支护所在位置埋深、地质条件、支护结构等因素密切相关，具体砌碹碹体厚度可通过下述公式计算：

收稿日期：2021- 11- 24

作者简介：郭威（1981—），男，山西临汾人，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，从事煤矿安全管理工作。

式中：r 为运输巷断面等代圆半径，取4 900 mm；fc为砌碹支护强度，取30 MPa；vk为支护安全系数，取3；P 为砌碹实际载荷，MPa。

砌碹垂直载荷q 可通过式（2）计算：

式中：γ 为巷道围岩容重，取27 kN/m3；S 为巷道围岩等级，取5；ω 为影响系数，取0.96。

将相关数据带入式（2）得：q=0.18 MPa。

设计的砌碹宽度为1 600 mm，两砌碹条带间间距为800 mm，为此条带砌碹实际需要承受宽度2400mm围岩载荷，具体砌碹实际载荷P=q2400/1600=0.27MPa。

将r=4 900 mm、fc=30 MPa、vk=3、P=0.27 MPa 带入式（1）中，计算得h=138.3 mm，为确保安全，取安全系数1.5，为此条带碹体厚度为210 mm。

2.2 支护方案设计

3506 运输巷在地质条件正常区段采用常规的锚网索喷支护方式，而在围岩破碎范围区段内掘进时综合采用锚杆支护、砌碹支护控制围岩变形。锚杆支护紧跟掘进迎头，并在距离掘进迎头一定距离进行条带砌碹支护。具体巷道掘进至破碎带时锚杆、砌碹支护断面如图2 所示。其中砌碹段长度1 600 mm、锚杆支护段长度800 mm，砌碹段及锚杆支护段交替进行。

图2 围岩破碎带条带砌碹支护断面（单位：mm）

2.2.1 锚杆支护参数

3506 运输巷掘进至破碎带时锚杆支护设计断面如图3 所示，其中围岩支护使用的锚杆规格均为Φ20 mm×2 500 mm，间排距800 mm、800 mm，整个支护断面布置11 根锚杆，除两侧巷帮靠近底板锚杆有15°外插角外，其余锚杆均垂直巷道壁施工；支护采用的钢筋网宽度800 mm，采用Φ6.5 mm 圆钢焊接制作，网孔150 mm×150 mm。

图3 锚杆支护断面图（单位：mm）

2.2.2 砌碹支护设计

在砌碹段采用的规格为Φ20 mm×2 800 mm，锚杆长度较锚杆支护段增加300 mm，其余锚杆布置参数与锚杆支护段一致。砌碹段采用的锚杆尾部杆体外漏长度300 mm。砌碹采用的混凝土强度为C30、厚度210 mm，如图4 所示。

图4 砌碹支护段示意图（单位：mm）

巷道砌碹段支护流程为：巷道围岩锚杆施工→里侧托板安装→柔模架设→安装金属网→外侧托板安装→泵送混凝土→成巷。具体砌碹支护中采用柔模规格为1.6 m×12.5 m×0.20 m，采用的水泥为P42.5R。混凝土搅拌、运输等采用型号KTRHZSJ-50 制备输送机组（见图5），混凝土产能为50 m3/h，可满足巷道砌碹混凝土使用以及远距离泵送需要。由于砌碹支护滞后掘进迎头，因此可实现巷道掘进与砌碹支护平行作业。

图5 混凝土制备输送机组

2.3 围岩支护效果分析

在3506 运输巷围岩破碎带采用条带砌碹支护后，对锚杆受力以及围岩变形进行监测。现场监测发现，锚杆受力稳定，未出现破断或者失效等情况；同时巷道围岩变形较小，顶板、两帮发生在锚杆支护段、最大变形量仅为12 mm，围岩变形量整体较小。

通过在破碎围岩段采用条带砌碹支护，在采面后续回采过程中基本不需要对巷道进行修整，提高了巷道使用效率，并降低了后续维护工程费用。

3 结语

3506 运输巷服役时间接近3 年，巷道掘进至围岩破碎段时受地应力、围岩承载能力差、支护强度低等因素影响，存在围岩变形量大、支护结构失效等问题，需频繁修整，无法满足采面煤炭高效开采需要。为此，提出采用条带砌碹方式对破碎带围岩进行支护，砌碹段（长1 600 mm）与锚杆支护段（长800 mm）交替进行，不仅提升了围岩支护强度，而且降低了砌碹支护工程量。

采用理论计算法确定砌碹段砌碹厚度为210 mm，并依据现场实际情况对围岩破碎段条带砌碹支护方案进行设计。现场应用后，有效控制了破碎带巷道围岩变形，在后续使用过程中基本不需要修整，可为3506 综采工作面煤炭高效开采创造良好条件。