煤矿大断面掘进巷道围岩支护优化研究

武 强

（山西长平煤业有限责任公司，山西 晋城 048400）

引言

为了提升掘进效率、控制经济成本，通常将采区和区段的巷道设置在煤层中。随着开采深度的不断增加，煤层结构逐渐复杂，主要特点为每层内部裂纹密度大、顶板岩层硬度较低等，给大断面煤层巷道支护带来了极大的难度。一旦参数选取不合理，就会导致巷道支护变形量过大，阻碍巷道的正常掘进作业。当前众多学者将研究方向集中在大断面煤巷支护技术领域，取得了一系列研究成果并应用于实践中取得了良好的效果。本文以晋能控股煤业集团某矿集中回风上山巷道为研究对象，对现有的支护方式进行分析，总结出其中的不足之处，并设计了一种注浆锚索的优化方式，减小了巷道围岩的变形量，提升了巷道围岩的控制效果。

1 集中回风上山巷工作面地质条件及原支护情况

1.1 工作面地质条件

集中回风上山主要用于采区的回风，巷道地面标高和底板标高分别为+1 416 m 和+919.5 m，长度为1 306 m，坡度为12°。巷道掘进方向同山西组2 号煤层走向一致，2 号煤层均厚为5.5 m，煤层平均倾角为17°。煤层直接顶由泥岩组成，厚度为4 m；基本顶由砂质泥岩组成，厚度为6.37 m；直接底由砂质泥岩组成，厚度为2.6 m；基本底由细粒泥岩组成，厚度为9.6 m[1]。

1.2 原支护情况

巷道断面形状为半圆形，长度和宽度分别为5.44 m和4.82 m。现有的支护形式为锚网索喷支护。

1.2.1 锚杆支护

选取的锚杆直径为22 mm、长度为2 400 mm，每排锚杆的数量为15 根，每根锚杆采用2 根Z2835 树脂锚固剂进行锚固，为了确保锚杆的支护作用，顶锚杆预紧力矩应当超过200N·m，相邻锚杆间的间距为800 mm、排距为800 mm。增设钢筋焊接网保护支护表面，焊接网长度、宽度和厚度分别为1 000 mm、2 000 mm 和6 mm，网格长度和宽度均为100 mm。

1.2.2 锚索支护

选取普通锚索进行支护，锚索直径为17.8 mm、长度为6 500 mm，每排锚杆的数量为5 根，相邻锚杆间的间距为1 200 mm、排距为1 600 mm，每根锚索采用4 根22360 和1 根CK2360 锚固剂进行锚固，锚索锚固力应当超过120 kN[2]。

1.2.3 喷浆支护

喷浆选用C20 混凝土，巷道表面的喷浆厚度为120 mm。原支护参数断面图如图1 所示。

图1 原支护参数断面图（单位：mm）

集中回风上山顶底板围岩均为泥岩，具有围岩整体性较差、硬度较低以及承载能力较差等特点。此外，由于巷道的走向和煤层一致，不同区域煤层厚度存在一定差异，因此厚度较大处顶板会出现一定的托顶煤现象，增大了巷道的变形量，提升了巷道的支护难度。当前巷道作业区域围岩破坏主要有以下特征：

1）巷道掘进完毕第一周，围岩变形速率在21～27 mm/d 之间，最大变形速率能够达到105 mm/d，其中顶板的位移量能够达到1.54 m，侧帮的位移量能够达到1.47 m。

2）巷道稳定周期长。根据变形量监测结果可知，巷道掘进完毕后的持续变形周期在28～57 d 之间。

2 巷道变形原因分析及支护优化

2.1 原支护存在问题分析

1）锚索长度不足。巷道掘进尺寸参考基准为底板，因此煤层厚度较大处的锚索锚固深度难以满足相关指标，导致锚索整体稳定性较差。

2）支护密度不够，支护强度不足。两帮未布置锚索，变形量难以控制。

3）支护失效现象普遍。围岩整体性较差导致施加的预紧力出现一定程度的损失，巷道整体支护稳定性较差，难以实现主动支护。

4）巷道掘进方式影响。由于巷道沿煤层底板掘进，因此部分区域存在一定厚度的顶煤，巷道掘进过程中顶煤应力分布发生变化，极易出现破碎现象，降低支护方案的稳定性。

2.2 围岩变形控制思路

针对巷道现有支护方案的不足，设计出一种注浆锚索强力支护方案。方案通过提升锚杆索预紧力大小，实现主动支护；通过注浆的方式提升支护区域周围围岩的整体性，避免预紧力损失；通过预应力全长锚固，增强围岩的控制效果。优化后的方案具有以下特点：

2.2.1 改善围岩力学性能

煤层具有硬度较低、整体性较差等特点，在巷道的掘进过程中极易出现破碎现象。通过注浆的方式能够提升围岩的承载能力和抗剪能力，降低巷道掘进对围岩变形的影响[3]。

2.2.2 降低围岩松动圈范围

巷道掘进过程中围岩应力分布发生改变，由三向应力转变为二向应力状态，此外由于浅部围岩出现变形破坏现象，巷道围岩形成松动圈。松动圈的形成说明巷道围岩承载能力不足，应力超过许用应力导致围岩破碎，因此通过注浆的方式提升围岩的承载能力，避免了松动圈的出现。

2.2.3 避免风化作用

通过注浆的方式对围岩中的裂纹进行填充，不仅在提升围岩整体性的同时避免了裂纹和空气的直接接触，而且还降低了风化侵蚀对围岩力学性能的进一步影响。

2.2.4 实现主动支护

采取注浆锚索注浆加固的方式，显著提升了围岩的力学性能，减小了松动圈的面积，避免了预紧力的损失，提升了围岩和支护体的整体性，实现了主动支护的目标，提升了巷道整体的稳定性。

2.3 支护参数优化

以现有支护方案的不足之处为基础，依照围岩变形控制相关理论，得出支护优化方案断面见图2。

图2 支护优化方案断面图（单位：mm）

现有支护方式为普通锚杆、锚索支护，围岩整体性较差导致预应力难以顺利传递，支护失效现象出现的概率显著提升，因此选取注浆锚索的方式提升围岩的控制效果。

选用锚杆直径为22 mm、长度为2 400 mm，相邻锚杆间的间距为800 mm、排距为800 mm。选用注浆锚索直径为22 mm、长度为8 500 mm，每排锚索的数量为9 根，顶板相邻锚索间的间距为1 200 mm、排距为1 600 mm，帮部相邻锚索间的间距为1 000 mm、排距为1 600 mm，每根锚索使用4 根Z2360 和1 根CK2360 锚固剂，锚索锚固力应当超过300 kN。

为提升围岩裂隙的注浆效率，注浆材料采用P.O42.5 硅酸盐水泥，添加剂选取波美度为37 的液体水玻璃。水泥浆的水灰质量比为1∶1；水泥浆和水玻璃的体积比为1∶（0.25～0.5）。

3 围岩控制效果

为了检测优化后的支护方案对围岩的实际控制效果，通过在掘进工作面布置位移观测点的方式，对巷道掘进后的顶板、两帮和底板变形量进行实时监测，巷道围岩变形情况如下页图3 所示。

1）随着掘进工作面和测点距离的增加，巷道变形量逐渐增加，掘进30 m 后变形量逐渐稳定。稳定后的顶板、两帮和底板变形量分别为20 mm、71 mm 以及21 mm。

2）根据下页图3 测得数据不难发现，采用优化后的支护方案，巷道变形量得到有效控制，相较于现有支护方案，围岩变形量下降超过80%，由此可见该支护方案支护效果较好。

图3 巷道围岩变形情况

4 结语

以晋能控股煤业集团某矿掘进巷道为研究对象，针对巷道现有支护方案存在的变形量较大等问题，提出了一种注浆锚索的支护方案，降低了围岩的变形量。通过观测点的设置对于优化后的支护方案支护效果进行检验，根据监测结果不难发现，巷道围岩变形量显著下降。相较于原有支护方案围岩变形量降低了80%以上，由此可见优化后的支护方案实际支护效果较好。