東海煤礦深部巷道支護(hù)技術(shù)

摘 要: 煤礦深部巷道圍巖壓力大，超過其圍巖的抗壓強(qiáng)度。同時，采區(qū)巷道受動壓的影響，巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重，影響正常生產(chǎn)。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，東海煤礦埋深 1 000 m 的巷道經(jīng)受了兩個回采工作面的動壓影響，圍巖受力狀態(tài)良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

　　東海煤礦核定生產(chǎn)能力 150 萬 t/a。二水平五采區(qū)下山開采深度已達(dá)到 1 050 m。開采深度至700 m時，該礦出現(xiàn)巷道支護(hù)困難、維修量大等深部開采問題。隨著開采深度的增加，圍巖軟化現(xiàn)象明顯，巷道變形嚴(yán)重，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，顯現(xiàn)典型的深部開采特征。筆者根據(jù)該礦巷道破壞情況及相關(guān)力學(xué)參數(shù)，采取優(yōu)化巷道斷面設(shè)計，加強(qiáng)關(guān)鍵部分位支護(hù)強(qiáng)度等措施對其巷道進(jìn)行支護(hù)。

1 巷道破壞的主要特征

1. 1 巷道頂板下沉彎曲破壞與頂板擠壓破壞東海煤礦五采區(qū)下山巷道圍巖由粉砂巖與頁巖等互層組成，層理與節(jié)理較發(fā)育，在高應(yīng)力作用下圍巖具有明顯的軟化、破碎現(xiàn)象。巷道頂板受垂直壓力與兩幫的擠壓而彎曲變形，如圖 1 所示。

1. 2 巷道兩幫圍巖向巷道內(nèi)擠壓破壞

在高應(yīng)力作用下，特別是受回采工作面動壓影響，巷道兩幫嚴(yán)重向巷道內(nèi)擠入［1］ ，使巷道圍巖表面逐步脫落破壞，尤其是錨桿與錨索托盤附近巖石破壞脫落(圖 2)，原有支護(hù)系統(tǒng)失效。

1. 3 巷道底鼓

　　采準(zhǔn)巷道普遍出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象［2］ ，需多次臥底維修，甚至出現(xiàn)采掘不久的巷道就要臥底翻修的情況。

五采區(qū)變電所硐室最大底鼓量達(dá)到 1. 0 m 以上，如圖 3 所示。

2 巷道圍巖應(yīng)力與壓力

2. 1 力學(xué)參數(shù)

　　五采區(qū)下山巷道圍巖試塊力學(xué)參數(shù)如表 1 所示。由于圍巖存在軟硬巖層互層，巷道圍巖整體強(qiáng)度低。

　　由于巖層與巷道圍巖強(qiáng)度、實(shí)驗(yàn)室試塊強(qiáng)度與井下實(shí)際效果的差別，需要確定圍巖的綜合力學(xué)參

數(shù)。由表 1 可知，巷道圍巖由粉砂巖、細(xì)砂巖、頁巖與煤互層組成，圍巖的綜合抗壓強(qiáng)度為 σ = 31. 792

MPa、τ =5. 334 MPa、μ =0. 315。

2. 2 圍巖壓力

　　巷道圍巖壓力為 p =25. 0 MPa。采動影響集中應(yīng)力系數(shù)取 1. 3，則巷道圍巖壓力為 32. 5 MPa，超過

了圍巖綜合抗壓強(qiáng)度 31. 792 MPa。根據(jù)理論計算巷道側(cè)壓系數(shù) λ 為λ = μ/(1 － μ) =0. 459 8，

而根據(jù) Sheorey 提出的經(jīng)驗(yàn)公式側(cè)壓系數(shù)為

則巷道的側(cè)壓力 σ 1 = λp =10. 02 ～11. 45 MPa，超過圍巖的抗剪強(qiáng)度。

3 巷道支護(hù)設(shè)計

3. 1 設(shè)計原則

　　巷道支護(hù)設(shè)計主要原則是 :

      (1) 以護(hù)為原則，防止圍巖破碎脫落引起錨桿錨索的托盤失效破壞;

      (2)采用高強(qiáng)度錨桿錨索及金屬網(wǎng)組合支護(hù)，控制圍巖的變形量;

      (3)采用帶壓、讓壓支護(hù)，錨索支護(hù)滯后錨桿支護(hù) 15 m 以上，允許圍巖有一定壓力釋放;

      (4) 重點(diǎn)部位加強(qiáng)支護(hù)，使圍巖整體收縮變形，防止巷道因局部變形量大而破壞。

3. 2 斷面形狀及支護(hù)設(shè)計

　　設(shè)計巷道斷面形狀為半圓拱形，巷道寬度44. 0 m，高度 3. 9 m，其中，壁高 1. 9 m，拱高 2. 0 m。

巷道斷面與錨桿錨索支護(hù)參數(shù)如圖4 所示。采用直徑22 mm、長2.2 m 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距 0.8 m ×

0. 9 m。錨索長度 7. 0 m，間排距 2. 4 m ×1. 2 m。

3. 3 優(yōu)化巷道斷面

　　經(jīng)理論分析采用拱形頂板、直墻與弧形底角的巷道斷面形狀，如圖 4 所示 。這種巷道斷面形態(tài)施工簡單，能夠改善巷道圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)，提高自身承載能力，有利于巷道支護(hù)。利用數(shù)字模擬軟件對常規(guī)巷道斷面與弧形底角巷道斷面的圍巖應(yīng)力、變形情況進(jìn)行模擬計算，剪應(yīng)力對比結(jié)果如圖 5 所示。巷道底角留設(shè)弧形以后，巷道圍巖應(yīng)力較底角為直角形斷面有顯著變化。計算結(jié)果顯示，最大主應(yīng)力減小 43% ，最小主應(yīng)力減小 69% ，剪應(yīng)力減少 43% ，頂 板 下 沉 量 減 少 2% ，底 鼓 量 減少 42% 。

4 應(yīng)用效果實(shí)驗(yàn)巷道在五采區(qū)回風(fēng)下山。實(shí)驗(yàn)前五采區(qū)回風(fēng)下山巷道已施工了 60 m，此后新掘巷道按新設(shè)計

方案施工。

4. 1 巷道圍巖變形觀測

在同一下山巷道內(nèi)原支護(hù)設(shè)計方案已施工2 個月。新設(shè)計方案施工區(qū)設(shè)兩個，測區(qū)，每個測區(qū)設(shè)計兩個觀測

點(diǎn)，連續(xù)觀測4 個月。部分觀測結(jié)果如圖6 所示。

4. 2 對比分析

　　原支護(hù)方案頂?shù)装逡平繛?30 mm，兩幫移近量為 170 mm，圍巖變形還在繼續(xù)增加。新設(shè)計方案

的頂?shù)装逡平繛?40 mm，兩幫移近量為 120 mm，巷道圍巖變形基本穩(wěn)定。在施工后的兩年內(nèi)，回風(fēng)

下山巷道經(jīng)受了兩個回采工作面的動壓影響，新支護(hù)設(shè)計方案巷道段沒有維修，而原支護(hù)設(shè)計方案巷

道段已經(jīng)維修 1 次。

5 結(jié) 論

(1)東海煤礦深部巷道圍巖變形破壞的主要方式為，圍巖壓力大，使圍巖表面逐步破碎，局部錨桿和錨

索托盤失效。由此，支護(hù)設(shè)計原則首選以護(hù)頂護(hù)幫為主，采用高強(qiáng)度錨桿錨索及金屬網(wǎng)組合支護(hù)，且錨索滯

后錨桿支護(hù)，圍巖壓力有一定的釋放時間。同時，加大巷道關(guān)鍵部位的支護(hù)，可有效控制巷道圍巖破裂程度。

(2)巷道留設(shè)弧形底角，改變了圍巖應(yīng)力狀態(tài)，降低了巷道底鼓程度，兩幫的移近量明顯減少，深部巷道的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。