长平矿五盘区煤层大巷过陷落柱支护技术研究

史文龙

（晋城宏圣金成矿山建筑工程有限责任公司，山西 晋城 048000）

长平矿五盘区陷落柱较为发育，地质条件复杂，煤层大巷过陷落柱区域蠕动变形严重，需要不断巷修才能满足使用要求。为提高大巷支护效果，开展了五盘区煤层大巷过陷落柱区域支护技术研究。

1 工作面概况

长平矿五盘区大巷共有5 条，大巷地面标高为1015～1139 m，周边煤层标高384～448 m，盖山厚度为567～755 m。五盘区胶轮车巷为煤层大巷，巷道断面尺寸为宽×高=5.8 m×5.6 m，煤层总厚度5.95 m。直接顶板为泥岩，平均厚度1.51 m；直接底板为泥岩，平均厚度1.78 m。根据三维地震资料显示，五盘区胶轮车巷掘进至1268 m 处揭露DX176 陷落柱。DX176 陷落柱长轴74 m、短轴40 m，陷落柱区域顶板节理发育，煤体疏松破碎，对巷道的稳定性产生很大影响，需针对性开展支护技术研究。五盘区胶轮车巷及DX176 陷落柱示意图如图1。

图1 五盘区胶轮车巷及DX176 陷落柱

2 围岩地质力学参数测试

根据实际研究的需要，本次测试共选择4 个有代表性的地点进行地应力和围岩强度测试，详细了解长平煤矿五盘区大巷围岩地质力学参数，在五盘区胶轮车巷进行钻孔窥视，为合理确定巷道支护参数奠定基础。

2.1 地应力测试

采用水压致裂法测试地应力，测试装置为SYY-56 型小孔径水压致裂装置[1]。在陷落柱不同方位选择测点，测点尽可能靠近陷落柱影响区域，依据巷道掘进进度和现场作业条件等综合考虑，选择的四个测点布置如下：第一测点布置于53021 巷900 m处，第二测点位于53023 巷600 m 处，第三测点位于五盘区胶轮车巷250 m 处，第四测点位于43221巷950 m 处。地应力测点布置示意图见图2，地应力测试结果见表1。

表1 水压致裂地应力测量结果

图2 地应力测点布置示意图

地应力测试结果表明，所测区域第一测点最大水平主应力值为16.41 MPa，最小水平主应力值为7.84 MPa，垂直应力值为17.39 MPa；第二测点最大水平主应力值为13.65 MPa，最小水平主应力值为6.96 MPa，垂直应力值为15.45 MPa；第三测点最大水平主应力值为15.81 MPa，最小水平主应力值为7.95 MPa，垂直应力值为13.71 MPa；第四测点最大水平主应力值为17.60 MPa，最小水平主应力值为8.06 MPa，垂直应力值为13.02 MPa。根据相关判断标准，可划分长平矿五盘区地应力场在量值上属于中等应力值区域[2-3]。

五盘区布置的第一、第二测点最大水平主应力均小于垂直应力，最小水平主应力为最小主应力，所测区域应力场类型为σv＞σH＞σh型应力场；第三、第四测点最大水平主应力均大于垂直应力，最小水平主应力为最小主应力，所测区域应力场类型为σH＞σv＞σh型应力场。四个测点最大水平主应力方向分别为N82.2°E、N89.5°E、N87.2°E 和N62.1°E，为NEE 方向，方向一致性好。

2.2 围岩强度测试

地应力测试结束后，在原钻孔内采用钻孔触探法[4]对巷道顶板以上及巷帮10 m 范围内的煤岩体进行了原位强度测试，得到长平煤矿五盘区顶板和巷帮煤体强度分布情况如下：

第一测点顶板以上0～5.2 m 为中粒砂岩，强度平均值为89.07 MPa；5.2～10.0 m 为细粒砂岩，强度平均值为88.30 MPa。第二测点顶板以上0～5.6 m为中粒砂岩，强度平均值为92.01 MPa；5.6～10.0 m 为细粒砂岩与粉砂岩互层，强度平均值为67.08 MPa。第三测点顶板以上0～2.8 m 为泥岩，强度平均值为42.02 MPa；2.8～10.0 m 为细粒砂岩，强度平均值为77.82 MPa。第四测点顶板以上0～7.7 m为中粒砂岩，强度平均值为85.10 MPa；7.7～10.0 m为砂质泥岩，强度平均值为63.56 MPa。

第一测点帮孔煤体强度平均值为14.71 MPa，第二测点帮孔煤体强度平均值为12.33 MPa，第三测点帮孔煤体强度平均值为11.35 MPa，第四测点帮孔煤体强度平均值为11.66 MPa。经计算长平矿五盘区3 号煤的平均强度值为12.52 MPa。

2.3 围岩结构窥视

岩体中存在许多不连续结构面，控制着岩体变形、破坏及其力学性质[5]，巷道支护设计需对围岩结构进行详细了解。因此，采用矿用小孔径全景电子窥视仪对五盘区胶轮车巷进行煤岩体结构窥视。

五盘区胶轮车巷钻孔窥视结果：顶板以上0～2.8 m 为泥岩，岩层呈灰黑色，泥质胶结，该段岩层存在多处横向裂隙，完整性较差；2.8～10.0 m为细粒砂岩，岩层呈浅灰色，泥钙质胶结，其中3.7 m、5.5 m、6.6 m、7.0 m 有明显横向裂隙， 7.5～10.0 m 岩层破碎严重，完整性差。巷帮煤体结构：左帮孔钻孔沿轴向0～1.9 m 煤体轻微破碎，完整性较差；1.9～5.2 m 煤体完整性好；5.2～6.7 m 煤体轻微破碎，完整性较差；6.7 m 后帮孔塌孔，无法继续进行窥视。

从观测结果来看，五盘区胶轮车巷顶板10 m范围内与锚杆支护直接相关的煤岩体岩性主要为泥岩和细粒砂岩，7.5～10.0 m岩层破碎严重，完整性差。帮孔受开掘扰动影响存在不同程度的塌孔现象，需加强巷帮支护强度来有效地控制巷帮煤体的变形。

3 胶轮车巷过DX176 陷落柱支护方案

3.1 可锚性测试

锚杆拉拔力试验的目的是判定巷道围岩的可锚性，评价锚杆、树脂、围岩锚固系统的性能和锚杆的锚固力[6]，为巷道支护设计提供参考。试验必须在现场进行，使用的材料和设备与巷道正常支护相同。锚杆、锚索拉拔力试验记录见表2。

表2 锚杆、锚索拉拔力试验记录表

根据长平矿井五盘区已有的巷道支护设计参数和相似条件锚固性能参数，确定五盘区煤层大巷顶板锚索初始预紧力不低于350 kN，巷帮锚杆锚固力不低于150 kN，巷帮锚索初始预紧力不低于200 kN。

3.2 五盘区煤层大巷变形原因分析

通过现场勘查、围岩地质力学参数测试及可锚性测试，对煤层大巷过陷落柱区域变形大、存在支护失效现象的问题进行深入分析，查找问题出现的原因主要为：1）五盘区范围内地质构造条件复杂，陷落柱等构造极其发育，对生产影响较大。2）巷道顶板岩层层位及厚度变化大。煤巷顶板泥岩厚度变化大，顶板变形严重多发生在泥岩增厚区。3）巷帮煤岩体松软破碎、可锚性差、单轴抗压强度低，属于松软难锚固围岩，现场巷帮锚索锚固力一般在150 kN 左右，局部达不到100 kN，造成张拉过程中锚索外露超长。锚索锚固力不足导致巷帮支护效能低下，巷帮大变形严重削弱巷道整体支护效果，两帮移进导致巷道顶板下沉和底鼓。

针对性解决措施：提高巷帮松软破碎煤岩体支护效果的关键是提高锚固力、快速恢复围岩完整性，对巷帮进行高压多段劈裂注浆改善岩性。采用锚杆索支护联合喷浆、滞后注浆的方式，可控制巷道围岩的变形。

3.3 支护参数设计

五盘区胶轮车巷宽×高=5.8 m×5.6 m，掘进断面积为32.48 m2，大巷分两次成巷，初次掘进宽度5.8 m、高度3.8 m，第二次掘进宽度5.8 m、高度1.8 m。巷道先沿3#煤层顶板掘进，二次刷底为见顶见底巷道。

支护参数：顶板采用全锚索支护，锚索型号为SKP22-1/1720-7300，锚索长7.3 m，直径22 mm，每排6 根，排距1.0 m，间距1.0 m。两排锚索中间打设1 组3 根12#工字钢锚索，间距1.5 m，锚索均垂直顶板打设。锚索托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm。采用Φ6.5 mm 钢筋焊接而成的钢筋网护顶，网格为100 mm×100 mm，网片规格为3000 mm×1200 mm。锚索采用三支锚固剂端部锚固，一支规格为MSK2335，另外两支规格为MSZ2360，钻孔直径30 mm，锚固长度为1970 mm。考虑到锚索预紧力损失问题，一般要求锚索超张拉（张拉到350 kN），预紧力损失后不小于250 kN，外露长度不大于250 mm。

巷帮采用锚索支护，锚索型号SKP22-1/1720-5300，直径22 mm，长度5.3 m，每帮每排5 根，排距1.0 m，间距1.2 m，锚索均垂直巷帮打设。锚索托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm。采用Φ6.5 mm 钢筋焊接而成的钢筋网护帮，网格为100 mm×100 mm，网片规格为3000 mm×1200 mm。锚索采用三支锚固剂加长锚固，一支规格为MSK2335，另外两支规格为MSZ2360，钻孔直径30 mm，锚固长度为1970 mm。锚索张拉到150～200 kN（最大限度接近现场所达到最大预紧力，可根据现场张拉试验实测数据确定），外露长度不大于250 mm。

胶轮车巷过DX176 陷落柱区域巷道支护断面如图3。

图3 胶轮车巷过DX176 陷落柱区域支护断面图（mm）

五盘区胶轮车巷过DX176 陷落柱期间，需加密顶板离层仪观测，并在陷落柱范围内每间隔5 m 打设一个信号柱，延伸至影响区前后10 m 范围。

过陷落柱期间，由于巷道部分区域顶板有淋水，导致支护体可锚性不符合要求。此时，除采用锚索支护外，架设32 号U 型钢棚进行联合支护，棚距为0.8 m，架棚完毕后对锚索孔进行注浆堵水，再对架棚段巷道进行喷浆封闭。喷射混凝土厚度为100 mm，所用水泥强度等级为42.5，喷射拌料严格按照比例配制。C20 喷射混凝土配比为水泥:黄沙:石粉=1:2:2（质量比），水灰比=0.45，每立方米C20 混凝土用量：水泥433 kg，黄沙886 kg，石子886 kg。

架棚支护断面如图4。

图4 架棚支护断面图（mm）

3.4 巷帮滞后注浆

由前文五盘区煤层大巷变形原因分析可知，巷帮煤体松软破碎、可锚性差、单轴抗压强度低，是煤层大巷发生大变形的重要原因之一，相对于巷帮破碎煤体，巷道顶板和底板围岩破碎程度较弱，因此巷道注浆主要以加固巷帮为主。巷帮采用锚索支护及喷浆后，滞后工作面对巷帮进行注浆加固，对巷帮围岩进行改性，提高巷帮承载能力。

注浆材料添加剂配比：使用XPM 添加剂，添加剂用量为水泥重量的8%～10%。

水灰比：使用XPM 添加剂，水泥浆的水灰比0.6:1～1:1（根据现场注浆情况调整）。

水泥-水玻璃配比：使用水泥-水玻璃双液浆时，水泥浆配比不变。水玻璃浓度38～42°Bé（根据现场情况进行调整），模数M=2.8～3.2。水泥浆和水玻璃的体积比1:0.4～1:1。

注浆孔布置：注浆钻孔沿巷道断面成排布置，注浆钻孔呈五花布置，排距2000 mm。当巷道断面超宽和超高时，要根据钻孔间距增加钻孔数量，具体布置方式可根据现场实际断面进行调整。注浆孔布置示意图见图5。

图5 注浆孔布置示意图（mm）

打孔：两帮钻孔使用ZQS-65/2.5 防突钻机打孔，钻头Φ42 mm。

钻孔角度：两帮靠近顶板的注浆孔上仰15°，其余钻孔垂直于两帮。

钻孔深度：注浆钻孔深度6000 mm。

注浆方式：埋孔口注浆管，孔口管长度800 mm，孔内下射浆管，射浆管5000 mm，全长一次注浆，封孔深度不低于600 mm。

注浆压力：孔口注浆压力3～5 MPa，现场注浆时要根据现场情况调整。

3.5 支护方案对比

五盘区煤层大巷过陷落柱区域与一般区域的支护方案相比：一般区域仅进行了大巷顶板和巷帮的全锚索支护，锚索排距为1.2 m，未采用U 型钢棚、喷浆、注浆等措施；过陷落柱区域的锚索排距由1.2 m 缩短为1.0 m，在顶板两排锚索中间增加了1 组3 根12#工字钢锚索，并架设32 号U 型钢棚与锚索进行联合支护，对架棚段巷道进行喷浆封闭，并滞后工作面对巷帮进行注浆加固，从支护密度、强度、支护手段上进行了全方位的提升，为控制巷道变形提供可靠保障。

4 效果分析

4.1 巷道变形和支护体受力分析

在五盘区胶轮车巷内安设综合测站监测巷道变形情况和支护体受力情况，分析评价支护效果。

五盘区胶轮车巷过DX176 陷落柱区域，掘进期间和使用期间表面位移监测曲线如图6。

图6 五盘区胶轮车巷表面位移监测曲线

由监测曲线可知：掘进期间五盘区胶轮车巷两帮移近量最大为150 mm，顶板下沉量为45 mm，底鼓量为70 mm。使用期间五盘区胶轮车巷两帮移近量为470 mm，顶板下沉量为130 mm，底鼓量为160 mm。由于巷帮围岩强度低，巷道变形主要以两帮变形量为主，顶板下沉量和底鼓量不大，巷道整体变形不大，围岩完整性良好。

采用液压枕式的测力计测试五盘区胶轮车巷过DX176 陷落柱区域锚索受力，顶板安装3 个锚索测力计，监测结果如图7。由监测曲线可知，锚索初期受力位于150～220 kN 之间，随着时间的延长，大部分锚索受力逐步增大，锚索受力增加至270～310 kN。锚索受力整体不大，处于合理的范围之内。

图7 五盘区胶轮车巷锚索受力监测曲线

4.2 经济效益分析

以往长平矿五盘区煤层大巷过陷落柱区域每米巷道维修率在20%以上，每次巷修需要全断面维修、起底，维修采用全锚索支护。采用本支护方案后，五盘区胶轮车巷过DX176 陷落柱区域一次性控制到位，每米巷道维修率降低至10%以下，巷道平均每米维修成本由6142 元降至4822 元，平均每米巷道维修成本降低1320 元，经济效益显著。

5 结论

在长平矿选择了4 个有代表性的地点进行了地应力测试和围岩强度测试，在五盘区胶轮车巷进行了围岩结构窥视和可锚性测试，分析了五盘区煤层大巷的变形原因，针对性地设计了五盘区胶轮车巷过DX176 陷落柱支护方案。现场试验表明，试验巷道两帮略有变形，但巷道整体变形不大，锚索受力处于合理的范围之内，围岩完整性良好，平均每米巷道维修成本降低1320 元。巷道支护效果满足了煤层大巷的使用要求，保障了矿井安全生产，经济效益显著，为长平矿五盘区煤层大巷过陷落柱提供了技术参考。