受陷落柱影響區(qū)巷道支護優(yōu)化設計研究

郝占璽

（山西大同煤礦集團公司云岡礦，山西 大同 037017）

煤系地層中時常會伴有陷落柱等構造，陷落柱內(nèi)部主要為軟弱巖體或者散體。在煤礦開拓主要運輸巷道時遇到陷落柱后的主要做法，一般為按照原設計施工直接穿過陷落柱。該方法給巷道維護和頂板管理造成很大困難，也增加巷道的維護費用。巷道過陷落柱構造區(qū)域的支護，常規(guī)的方式是采用架棚和表層噴射混凝土工藝。該方式在經(jīng)過一定的維護期之后，巷道會發(fā)生較大變形，影響煤礦正常生產(chǎn)。根據(jù)云岡礦8#煤層大穿越陷落柱的實際情況，提出采用主動和被動支護相結合的支護方式控制巷道圍巖，取得理想效果。

1 概況

8#煤輔運大巷、主運大巷與回風大巷均受到陷落柱構造影響。陷落柱呈橢圓形平面，各巷道沿軸向方向直接影響區(qū)域分別為180 m、220 m 和240 m。巷道掘進發(fā)現(xiàn)陷落柱中的巖性為風氧化煤、黃泥、黃土、砂巖互層，且含有豐富的水分，易誘發(fā)頂板冒落和片幫。通過深鉆孔測得陷落柱中土樣吸水性極強，吸水飽和后崩解，黃泥中含蒙脫石，吸水后具有膨脹性，陷落柱中泥巖受水浸泡后強度極低或基本無強度。

8#煤層輔運大巷、主運大巷及回風大巷斷面均為三心拱，高3.9 m，寬5 m，斷面19.5 m2。3 條巷道均采用U29 鋼架棚支護，四合一拱形支架，腿長4.2 m，梁長2.4 m。棚距中對中0.6m，梁腿搭接長度0.4 m，卡距0.4 m，每棚使用6 副卡纜，8 個拉鉤，利用菱形網(wǎng)繃緊，空幫、空頂?shù)牟糠钟瞄L0.8 m 半圓木接實或用1.2 m 長預制水泥板接實。鋪網(wǎng)，頂、幫均鋪金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)搭接長度100 m，每300 mm用12 號雙股鐵絲扎緊。架棚后噴射混凝土，強度C20，噴射厚度150 mm，巷道支護情況如圖1 所示。

2 受陷落柱影響的巷道圍巖變形原因

2.1 巷道圍巖變形狀況

8#煤層輔運、主運和回風3 條巷道在陷落柱影響區(qū)域段使用期間均發(fā)生較嚴重變形，輔運大巷變形最嚴重，其次是主運大巷，變形最小為回風大巷。其中2016 年輔運大巷和主運大巷進行過全面整修，整修前巷道圍巖變形特征為：

（1）U 形鋼支架被壓回縮，頂部被壓平，幫部棚腿向巷內(nèi)變形彎曲，混凝土噴層開裂脫落，片狀懸掛，內(nèi)部陷落柱黃泥鼓出。

（2）變形破壞嚴重程度最大的區(qū)域為輔運大巷與主運大巷之間的巖柱區(qū)域，實測巷道變形量最大值主運大巷移近量為1.50 m，兩幫移近量為0.95 m。

圖1 8#煤層巷道原支護形式

為保障生產(chǎn)正常進行，于2016 年對主運大巷和輔運大巷進行了全面整修，擴幫和起底，并采用原有支護方式對巷道進行了二次支護。但在1 年后，巷道又出現(xiàn)較為嚴重的破壞，表現(xiàn)為頂板混凝土噴層脫落，巷幫出現(xiàn)一條水平方向裂縫，裂縫上下部變形出現(xiàn)不協(xié)調(diào)，也有些區(qū)域巷道變形并不嚴重。

2.2 巷道圍巖變形原因分析

通過現(xiàn)場調(diào)研陷落柱形態(tài)、內(nèi)部構造、巖性、巷道尺寸及其與陷落柱位置關系等，分析得出陷落柱影響區(qū)大巷發(fā)生變形破壞原因如下：

（1）8#煤層3 條大巷處于陷落柱影響區(qū)域，陷落柱巖體完整性差，強度低。巷道深鉆孔觀測結果表明，巷道15 m 范圍內(nèi)多為砂土和黃泥等，圍巖穩(wěn)定性差，易于發(fā)生變形和破壞。

（2）由于陷落柱內(nèi)巖體軟弱且含水，在長期的礦山壓力作用下，被動支護體會發(fā)生侵蝕和破壞。

（3）3 條大巷支護采用U 形鋼加噴射混凝土支護，支護方式為被動支護，在長期難自穩(wěn)的巖體作用下，礦壓積累顯現(xiàn)程度會逐漸增加，出現(xiàn)變形過大現(xiàn)象。

綜上所述，受陷落柱影響區(qū)3 條大巷服務時間長，重要性高，要求長期處于穩(wěn)定狀態(tài)，但受陷落柱影響，有些區(qū)域經(jīng)過2 次維修仍存在一定問題。因此，巷道支護方式需要優(yōu)化，以增強圍巖承載能力，提高巷道的穩(wěn)定性，延長巷道翻修周期。

3 巷道受陷落柱影響區(qū)優(yōu)化支護模擬研究

8#煤層3 條大巷受陷落柱影響區(qū)域的支護優(yōu)化是在巷道維護方式上做出的變革，采用主動支護和被動支護聯(lián)合控制的方法控制巷道的穩(wěn)定，在增加錨桿索的同時確定降低棚式支護的密度，并合理優(yōu)化其支護參數(shù)。其模擬方案設計如表1 所示。

表1 8#煤層3 大巷道錨桿索優(yōu)化支護模擬方案設計

綜合表1 模擬方案結果可知，8#煤層3 條大巷受陷落柱影響區(qū)域采用U 形棚與錨桿索聯(lián)合支護技術關鍵參數(shù)：錨桿間排距900 mm×900 mm，錨索為每排2 根，錨索長度為5.0 m，U 形棚的棚距為900 mm。

4 支護優(yōu)化方案

結合工程類比法、原有支護方案的一些參數(shù)以及現(xiàn)場具有的設備和材料，設計出8#煤3 條大巷優(yōu)化后的支護方案均采用錨桿索架棚與噴漿聯(lián)合支護方式，如圖2 所示。

4.1 錨桿索支護參數(shù)

頂錨桿采用Φ22 mm 無縱筋螺紋鋼錨桿，長度2.1 m，使用1 根K2335、1 根22360 樹脂錨固劑。從巷道中線開始，間排距為900 mm×900 mm，共打7 根錨桿。頂板網(wǎng)片采用Φ4 mm×80 mm 焊接方格網(wǎng)，長×寬=3 m×1.3 m，網(wǎng)片相互搭接長度為100 mm。

頂錨索采用Φ17.8 mm 的鋼絞線，長5.3 m，孔深5.0 m。每個錨索鉆孔裝1 根K2352、2 根Z2360樹脂藥卷。每排布置3 根錨索，從中線開始每1.8 m安裝1 根，間排距1800 m×1800 mm。托板規(guī)格為250 mm×250 mm×10 mm。

幫錨桿采用Φ22 mm 無縱筋螺紋鋼錨桿，長度2.4 m，間排距900 mm×9900 mm，每孔使用1 根K2335 和1 根Z2360 樹脂錨固劑。每排每幫布置3 根錨桿，最下1 根安設角度與垂直方向成15°，其余2 根錨桿水平布置。兩幫錨桿鐵托板規(guī)格為200 mm×200 mm×10 mm。

4.2 棚式支護與混凝土加固

架棚采用U29 鋼拱形支架，腿長為4.2 m，梁長為2.4 m。棚中對中0.9 m，粱腿搭接0.4 m，卡距0.4 m。每棚使用6 副卡纜、8 個拉鉤，利用菱形網(wǎng)繃緊，空幫、空頂?shù)牟糠钟瞄L0.8 m 半圓木接實，頂、兩幫均鋪金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)搭接100 mm。架棚后噴射混凝土，強度C20，噴厚度150 mm。

圖2 錨桿索架棚與噴漿聯(lián)合支護方式

5 現(xiàn)場試驗效果

在8#煤層輔運大巷、主運大巷與回風大巷內(nèi)設置的離層監(jiān)測測點顯示，3 條大巷的頂板離層均不明顯。過3 個月后的表面位移觀測發(fā)現(xiàn)，巷道的表面位移有一定的變化，輔運大巷內(nèi)的3 個測點的巷道兩幫移近量平均為15 mm，頂板下沉量10 mm；主運大巷的3 個測點的兩幫移近量平均值20 mm，頂板下沉量13 mm；回風大巷的3 個測點兩幫移近量約為12 mm，頂板下沉量8 mm。這說明3 條大巷經(jīng)維修后，巷道變形量較小，優(yōu)化設計后的支護方案可以有效控制巷道圍巖的變形，巷道內(nèi)不會發(fā)生劇烈變形和破壞，優(yōu)化支護設計方案合理有效。

6 結論

陷落柱影響區(qū)的大巷圍巖軟弱不穩(wěn)定，不能實現(xiàn)圍巖自穩(wěn)是造成巷道持續(xù)出現(xiàn)變形的主要原因。對云岡礦8#煤層受陷落柱影響的3 條大巷的支護進行了優(yōu)化設計，在巷道圍巖進行分類的基礎上確定支護設計原則。根據(jù)模擬試驗確定8#煤3 條大巷優(yōu)化后的支護方案均采用錨桿索架棚與噴漿聯(lián)合支護方式，實踐應用效果理想，有效地控制了巷道的圍巖變形。