深井大断面巷道变形研究与支护应用

深井大断面巷道变形研究与支护应用

任彬马小兵

宁夏宝丰集团红四煤业有限公司 宁夏回族自治区银川市 750001

摘要：某煤矿采用立井单水平开采方法，在整个开采过程中，采区多煤层联合布置，涉及2煤、5煤、8煤、和9煤等多个煤层。尤其是9煤，因其埋深超过800米，所带来的开采难度增大。在掘进该煤层时，经常面临巷道顶板压力增大，造成巷道变形的问题。经过深入的矿压观测数据分析，对支护材料进行研究，并对围岩松动圈进行测试，我们深入探讨了该问题的成因。根据分析结果，我们制定了一套有效的支护措施。采用这些措施后，巷道的压力得到了很好的控制。尤其是采用的锚网索支护技术，不仅在技术上有效，而且从经济角度看，效益非常显著。

关键词：大断面；石灰岩顶板变形治理；锚网索支护；围岩控制技术

1深井大断面巷道概况

1.1巷道布置情况

某煤矿909运输顺槽设计长度为2163m，已掘进1760m，地面标高：+1171.9m～+1219.8m，工作面标高：+283.8～+362.0m，埋深809.9-936m。909运输顺槽正上方18.5m～20m为809运输顺槽底板（809工作面已回采结束18个月）。909运输顺槽正上方114.5m～120m为2煤底板，209回风顺槽位置在909运输顺槽以东71.3～114.5m。

1.2地质条件

1.909运输顺槽直接顶为石灰岩、泥质粉砂岩。9-1煤平均厚度2.78m；9-1与9-2煤之间夹矸为粉砂岩，厚度平均为0.76m，为半坚硬岩层，f=3.62；9-2煤平均厚度2.63m。

2.直接顶石灰岩厚度平均为1.21m，为坚硬岩层，f=5.46；老顶为粉砂岩，厚度平均为9.75m，为半坚硬岩层，f=2.43；直接底为粉砂岩，厚度平均为4.15m，f=3.85。

1.3巷道断面与支护

1. 909运输顺槽沿9-1煤顶板掘进，设计断面为掘宽×中高=5.4×4.1m，该巷道相对埋深较深，断面较大，又为软岩巷道。通过实地考察软岩巷道支护案例，和对巷道侧墙及底板受力变形进行理论分析，该巷道采用锚网索联合支护，全断面锚索加固，锚索与锚杆耦合支护的方式进行永久支护。原巷道断面设计见图2。

2巷道变形情况分析

2.1矿压观测数据分析

1.顶板离层观测分析

909运输顺槽共布置顶板离层仪16组（其中机械顶板离层仪4组，在线顶板离层仪11组）。采用深、浅两点监测，深层安装深度8.1m，浅层安装深度2.3m。该巷道浅部离层量全部大于深部离层量。

巷道深层离层量全部≤20mm。浅部离层量最大为230mm，位于巷道里程1250m；深部离层量最大为20mm，位于巷道里程192m。该巷道1160米设置的12#顶板离层仪处，巷道采用全断面锚索支护浅部、深部离层均≤5mm。说明909运输顺槽顶板离层主要发生在浅部，需要对巷道顶板浅部加强支护。

因此，为了保障巷道的安全，尤其需要对顶板的浅部进行加强支护。例如，在1160米处设置的12#顶板离层仪附近，采用全断面锚索支护后，浅部和深部的离层量均能控制在5mm以内，证明了加强支护的有效性。

2.十字布桩观测分析

909运输顺槽十字布桩测点总计15组，与顶板离层仪布点位置相同。分别对顶底板移进量、帮部收敛量进行观测。其中7#（巷道里程600m处）巷道底板底鼓239mm较为明显，11#（巷道里程1070m处）巷道顶板下沉量为88mm，底板底鼓量为275mm，低帮收敛量为209mm，高帮收敛量为77mm。说明巷道低帮变形量大于高帮，巷道底板底鼓量大于顶板离层量。909运输顺槽巷道压力显现低帮最大。

因此，可以推断出909运输顺槽巷道的压力主要集中在低帮，指示了巷道支护的重点应放在低帮和底板的加固上。

2.2巷道现场变形分析

1.根据对909运输顺槽已掘进巷道现场的排查，909运输顺槽巷道700m至1300m位置顶板采用锚杆锚索耦合支护段均有不同程度的破碎，以M形破坏为主，具体见图3。909运输顺槽全断面锚索支护段顶板无明显变形，

这种破坏形态可能指向了支护结构的局部弱点或应力集中区域。另一方面，全断面锚索支护的段落中顶板却没有出现明显的变形，这表明全断面锚索支护可能更适合于此类巷道环境。这一观察结果为909运输顺槽巷道的未来支护工作提供了重要的参考，暗示了可能需要对现有的支护方式进行优化或调整。

结论：说明909运输顺槽巷道顶板采用锚杆锚索耦合支护强度低，需要加强对巷道支护强度。

2.现场跟班期间发现909运输顺槽顶板上方压力显现，岩石断裂声传递至909运输顺槽内，对比909运输顺槽设计应力云图（见图5）分析及909运输顺槽上方8煤、2煤采动影响分析（见图6）, 909运输顺槽掘进后部巷道受顶板应力重新分布及巷道顶帮压力作用，9煤顶板约1.21m的石灰岩受力产生剪切破坏。

结论：说明10909运输顺槽巷道顶板支护强度低，需要加强对巷道顶板支护强度。

3.现场检查巷道顶板发现锚索外露部分钢绞线截面不齐，锚杆、锚索受力拉伸剪切断裂造成失效等情况（见图7），经对该巷道支护材料送检做质量检测报告，发现该巷道支护材料均符合要求。

结论：说明909运输顺槽巷道顶板压力较大锚索受力拉伸变细，需要加强对巷道顶板支护强度。

4.现场跟班期间，根据后部巷道补打锚索孔钻进情况分析，打设锚索孔在顶板向上0.8m～1.1m位置出现离层。

2.3巷道松动圈测试

经过对909运输顺槽巷道松动圈实测数据进行计算机处理，得出各测孔的声波速度曲线（见图8、图9）。从测试数据和波速曲线对比分析，该巷道压力重新分布后巷道帮部松动圈大于4.0m。

4巷道变形成因分析

4.1直接原因

巷道所在位置的直接顶层为石灰岩，其平均厚度达到了1.21m。在这层石灰岩的上方是泥质粉砂岩。巷道顶板的倾角为14°，导致了巷道在此角度下受到的压力增大。同时，由于顶板支护所用的锚杆和锚索的支护强度较低，它们不能有效地抵抗由于石灰岩受应力产生的沿顶板方向的剪切应力。

4.2间接原因

1.在809工作面的采空区，由于原煤被采掘，导致应力重新分布。这种应力的二次分布使909运输顺槽受到了额外的支撑压力扰动，这种变动可能间接引起巷道的变形。

2.类似地，209工作面采空区中的应力再次分布导致了10909运输顺槽受到侧向压力扰动。这种压力的再次分布也可能是导致巷道不稳定的间接因素。

3.909运输顺槽中的单轨吊运行也对顶板产生了一定的扰动。特别是在运输过程中，突然的重量变化和震动可能会增加顶板受到的应力，进一步加剧巷道的变形。

5.巷道支护安全措施

5.1 909运输顺槽后巷加强支护措施

1.对于现有的支护结构，提议补打4.3m锚索加强支护。在巷道顶板出现破碎或有可能出现的区域，建议打设“一梁三索”的锚索梁加强支护方法。具体的锚索梁使用11#工字钢制作，长度达到3.3m，设计上锚索眼的距离为1.4m。每根工字钢应配置3根锚索，确保锚索眼到边的距离不小于0.2m，同时采用的锚索规格为φ21.8×4.3m。

2.在巷道顶板破碎形成的网兜段，我们推荐使用“一梁三柱”的加强支护方法。其中，钢梁建议使用长度为4.2m或4.6m的π型梁。而所用的单体柱为DW35/40/50-300/110X悬浮式液压单体支柱。这些π型梁应垂直于巷道走向布置，每个单体柱下部应加装铁柱鞋，确保其与工字钢梁连接处有充分的防倒措施。

3.更进一步强调现场锚杆（索）的防崩管理。为防止锚杆（索）意外脱落，所有的锚索和锚杆外露部分应采用14#铁丝捆绑在钢筋网片上。铁丝的两端固定在钢筋网上，其中部需要在锚杆或锚索上缠绕至少三圈。

为了确保上述措施的有效性，还需进行定期的巡查和维护。同时，对工人进行培训，确保他们了解各种风险，并掌握应对突发情况的方法。

5.2支护断面图优化

1.根据909运输顺槽后巷支护现状优化巷道支护断面图，909运输顺槽再向前掘进时巷道顶板采用全锚索支护，第一排1、3、5、7眼位打设8300mm锚索，第2、4、6眼位打设4.3m锚索；第二排全部眼位打设4300mm锚索；如此交替施工，锚索间排距为800×800mm，锚索采用Ф21.8mm钢绞线加工。

2.上帮帮部支护锚杆间排距变更为800×1000mm，锚索支护间排距变更为1600×2000mm，锚杆锚索耦合支护。

3.巷道下帮帮部采用5100mm锚索进行支护，锚索间排距1000×2000mm。