十字交叉巷道支护技术研究

张 超

（晋城煤业集团 寺河煤矿 二号井，山西 晋城048019）

煤矿生产掘进过程中，巷道交叉现象比较常见，但巷道交叉点受两次乃至多次采掘影响，应力重新分布，易造成应力集中。因此，如何加强巷道交叉点的支护是困扰很多矿井的难题〔1〕。

寺河煤矿二号井设计生产能力1.8Mt／a，现主采9＃和15＃煤层，是晋城煤业集团的主力矿井之一。在9＃煤层开采过程中，由于采掘规划的需要，九四盘区大巷与94311工作面的巷道出现多处十字交叉，出现了两帮破碎，顶板下沉等现象，尤其是94101西巷，为盘区带式输送机大巷，担负着运输和行人的任务，两帮收缩量达到了900mm，顶板下沉量达到了600mm，严重影响了行人和运输，不得不进行扩帮卧底，增加了巷道的维护成本。为了保证巷道的正常使用，减少巷道的维护费用，必须采取一定的技术手段对交叉点巷道进行强化支护，避免多次返修。

1 工程概况

九四盘区位于寺河煤矿二号井井田西翼，为9＃煤层主采盘区。94101西巷、94102西巷、94103西巷分别为盘区行人运输（进风）大巷、回风大巷、材料运输大巷。该区域煤层厚度在0.8～1.7m之间，为典型的薄煤层，其中顶板为厚度5.3m的粉砂岩，底板为2.6m泥岩和细砂岩混层。掘进过程中，掘取部分直接底，保障断面的高度。

其中，三条大巷均与94222巷、94223巷不同层交叉，94102西巷与94222巷、94223巷空间十字交叉、94101西巷与94222巷、94223巷十字交叉、94103西巷与94222巷、94223巷T字交叉。本文研究的重点是94101西巷与94222巷的十字交叉点，见图1。

2 原支护形式下巷道破坏特征

2.1 原支护设计

94101巷与94222巷掘进尺寸均为宽度为4.8m，高2.4m，掘进断面积为11.52m2。巷道支护设计示意见图2，具体支护设计如下：

图1 九四盘区大巷与回采巷道交叉示意

（1）锚杆：顶部和帮部均采用Φ20长度为2m的左旋无纵筋螺纹钢筋，杆尾螺纹为M22；顶板锚杆均垂直顶板安设，顶板角锚杆与垂线夹角不得超过10°安设；间排距1000mm×1200mm，每排5根，平行布置；帮部锚杆间排距900mm×1200mm，每排3根锚杆，平行布置；锚杆预应力不得小于80kN。

（2）钢筋托梁：顶部采用Φ12mm的钢筋焊接而成，规格为SB－12－100－3700－4，长×宽＝3700mm×100mm；长度3700mm；帮部采用Φ12mm的钢筋焊接而成，规格为SB－12－100－1000－2，长×宽＝1700mm×100mm.。

（3）锚索：采用 Φ15.24mm，长度为5.3m的高强度低松弛钢绞线锚索，间排距2000mm×3600mm，每排2根，平行布置，预紧力不得小于150kN。

（4）金属（塑料）网：顶板遇破碎地点挂4600mm×1200mm金属网。帮部采用3800mm×1100mm塑料网。

2.2 巷道破坏特征

94101西巷掘进初期，受煤层厚度及顶底板岩性的影响，出现了轻微的两帮煤体破碎现象，94222巷与94101西巷贯通后，两帮破碎程度进一步加深；待94311工作面回采后，随着94101西巷运输量的加大，对巷道有一定的载荷冲击，巷道变形进一步加剧，主要的破坏特征表现为：

图2 原巷道交叉位置支护设计示意

（1）两帮煤体沿煤层的顶板和底板的交叉处鼓出，煤体破碎，两帮最大收缩量达到801mm，局部锚杆可轻松拔出，失去承载能力。

（2）顶板出现离层，大面积破碎，并出现顶板下沉，最大下沉量达到489mm。

3 支护方案设计

相关研究表明，巷帮是顶板的有效支撑体，处于十字交叉两条巷道，其支承压力区和顶板的卸载区会产生叠加效应。由于巷道交叉而形成的三角区域易发生应力集中〔2－3〕，因此支护设计的重点是顶底板与巷帮交叉处，配合架棚支护防止巷道变形，同时采用注浆锚杆进行注浆加固，提高围岩的完整性和整体性。

3.1 架棚支护

本次加强支护是在巷道返修的基础上，即先对巷道进行“扩帮拉底”，使其恢复成原有的巷道设计尺寸。然后采用π型钢梁配合单体柱的架棚支护方式，一梁三柱，其中胶带左侧单体柱间距2000mm，胶带右侧单体柱间距1500 mm，排距均为1000mm，具体支护形式见图3。

3.2 注浆加固

本次注浆加固是利用注浆锚杆对煤壁两帮及底角进行补强，其中两帮注浆锚杆采用型号为Φ25－5的中空注浆锚杆，长度2000mm，间距1000mm，上距顶板800mm，垂直于煤壁钻进，钻孔深度3000mm；底角锚杆采用型号为Φ32－6，长度4000mm，间距1000mm，沿底角下扎45°钻进，钻孔深度5000mm。注浆锚杆布置示意见图4。

巷道注浆加固，注浆材料的选择是关键。十字交叉巷道表层围岩破碎，深层由于煤体的挤出而形成空洞，因此需要高强度，快凝材料以抑制巷道的继续变形。借鉴15＃煤层大巷注浆加固的经验，本试验段采用晋煤研究院生产的联邦加固一号材料。联邦加固一号材料是以无机矿粉为主的地质聚合物注浆材料，是双液注浆材料，两种浆液在混合前，6h内不凝固、不泌水、不沉淀，混合后凝结时间为3～10min，1～8h的强度能达到8～15MPa以上，不同水灰比养护时间下的抗压强见表1。

图3 架棚支护示意

图4 注浆锚杆注浆示意

表1 联邦加固注浆材料（双液）抗压强度对比

4 试验效果分析

4.1 监测方法

在94101西巷与94222巷十字交叉的位置（距交叉口0.5m处），试验注浆及架棚支护区域布置了4组测站，采用“十”字布点法，观测两帮及顶底板的位移量，同时，在94101西巷与94223巷十字交叉的位置（距交叉口0.5m处），布置了4组测点作为对比测站，观测周期为30天。

4.2 数据分析

井下专人负责每2～3天观测一次，将两组数据整理，见图5、图6。

图5 对比测站巷道表面位移变化

图6 试验段巷道表面位移变化

由图5可以看出，对比巷道区域，巷道两帮及顶底板变形速率较快，变形持续时间长，巷道两帮最大变形量达801mm，顶底板移近量达到489mm；而进行注浆加固和架棚支护的试验巷道区域，巷道变形速率明显减缓，且在15天内巷道变形趋于稳定，巷道两帮收缩量控制在50mm之内，顶底板下沉量在30mm之内，安全可控，支护效果立竿见影。

5 结语

1）通过对寺河煤矿二号井九四盘区十字交叉巷道调研，分析了十字交叉巷空间位置关系及巷道的破坏特征。

2）针对十字交叉巷的破坏特征，制定了架棚二次支护配合注浆锚杆注浆加固的支护方案，并在试验巷道区域进行了工业性试验。

3）通过巷道表面位移监测，架棚二次支护配合注浆锚杆注浆加固的支护方案，效果明显，巷道变形均控制在允许范围内，保障了巷道的正常使用。

〔1〕单仁亮，孔祥松，李 斌，等.大断面直墙半圆拱巷道支护设计与优化〔J〕.中国矿业，2014，（1）：87.

〔2〕王引群.厚煤层十字交叉巷道支护技术研究〔J〕.山西煤炭.2011，（12）：48－49.

〔3〕刘海瑞，李金刚.矿用U型钢棚＋砌碹支护在交叉巷道中的应用〔J〕.陕西煤炭.2015，（4）：129－131.