彬长矿区开拓巷道长效主动防冲支护

王 冰，白 杨

(陕西彬长孟村矿业有限公司,陕西 咸阳 713602)

0 引言

孟村煤矿位于陕西省黄陇侏罗纪煤田彬长矿区中西部，可采储量5.85亿t，矿井设计规模600万t/a，服务年限71.3 a。矿井主采4号煤层，平均厚度16.25 m，具有强冲击倾向性，顶板岩层具有弱冲击倾向性，底板岩层无冲击倾向性。矿井冲击地压类型是地质构造为主导的纯静载型冲击启动类型，主要表现形式有巷道瞬间底鼓、片帮、震感强烈等[1-4]。孟村煤矿中央5条大巷为矿井主要开拓大巷，服务于矿井403、404和405盘区，基本布置在煤层中，留有厚底煤。在DF29断层附近掘进时，沿断层上盘掘进直至揭露断层，后按断层落差确定巷道坡度，进行全岩掘进，直至继续沿煤层中部掘进。掘进期间，断层附近围岩破碎，断层活化严重，采用“锚网索喷”进行支护。截至2019年11月，中央大巷在DF29断层附近已发生5次3×105J能量以上的冲击地压事故，均出现底鼓，两帮缩进，顶板下沉等现象，部分区域经过多次维修，依然无法控制，处于病态运行。针对中央带式输送机大巷条件，进行巷道围岩地质力学测试，分析巷道围岩变形破坏特征及原因，以期提出适合于大型断层构造附近冲击地压巷道的长效主动防冲支护技术。

1 巷道围岩地质力学测试

1.1 地质条件

总体概况：中央带式输送机大巷断面形状为半圆拱形，净宽5 400 mm，净高4 300 mm。巷道沿4号煤层中部布置，为全煤巷，掘进方位270°，坡度-2°～+8°。自东向西依次揭露X1向斜，轴线呈NE—SW向，两翼呈对称状，两翼倾角为2°～4°(塬口子向斜)、DF29(H=0～38 m，正断层，SE∠55°，控制程度可靠)、B2背斜，轴线向呈EW转NE向，两翼基本呈对称状，两翼倾角为3°～5°(谢家咀背斜)。煤层顶板为以砂质泥岩、细粒砂岩、粗砂岩为主的复合型顶板，底板以遇水易膨胀的铝质泥岩为主。

老顶：粗砂岩、细砂岩；灰色、灰白色；层面含大量黑色炭质碎屑及云母片，抗拉强度0.22～2.83 MPa、饱和抗压强度5.10～28.4 MPa，厚度7.75～20.8 m，平均12.1 m。岩层稳固性较好，不易冒落。

直接顶：砂质泥岩；深灰色，局部含植物叶片化石，薄层状，平行层理极发育，抗拉强度为0.44～1.53 MPa、饱和抗压强度0.22～16.2 MPa，平均3.38 MPa。

底板：以炭质泥岩、铝质泥岩为主，颜色以黑色、灰黑色为主，其中炭质泥岩厚度2.75～4.52 m，平均3.6 m；铝质泥岩厚度1.83～7.77 m，平均4.8 m。

1.2 围岩地质力学测试

采用水压致裂法在中央带式输送机大巷DF29断层附近进行了3个测点的地应力测量，测量结果见表1。表中第1测点位于中央带式输送机大巷距DF29断层以东230 m处；第2测点位于中央带式输送机大巷距DF29断层以西30 m处；第3测点位于距DF29断层以西250 m处。σH、σh、σv分别为最大水平主应力、最小水平主应力和垂直应力。从表1中可看出，3个测点最大水平主应力均大于垂直应力，最大水平主应力值相差不大，围岩最大水平应力、最小水平主应力及垂直应力平均值分别为31.45 MPa、19.45 MPa、17.49 MPa，最大水平主应力σH为垂直主应力σv的1.79倍，应力场大小关系为σH>σh>σv。地应力场以水平应力为主，垂直主应力为最小主应力，侧压系数为1.38～1.69，岩石单轴饱和抗压强度Rc与垂直洞轴线方向最大初始地应力σmax之比即Rc/σmax=0.19，属于构造型高地应力区域。

表1 孟村煤矿DF29断层附近地应力测量结果

2 中央带式输送机大巷现状及破坏原因

2.1 巷道原支护设计

采用“锚网索喷”支护形式，全断面采用规格为φ20 mm×2 500 mm的左旋无纵肋螺纹锚杆，间排距为700 mm×700 mm，菱形布置，每排19根，中央带式输送机大巷断面支护示意如图1所示。每根锚杆配用1支MSK2335和2支MSZ2335树脂锚固剂，锚杆托盘规格150 mm×150 mm×8 mm的Q235钢板。全断面铺设1 500 mm×800 mm×100 mm(网格)钢筋网(采用φ6 mm的Q235钢筋加工而成)，采用16#双股铁丝将顶网与帮网隔孔相连。网片联接方式为搭接，搭接长度100 mm。采用φ21.8 mm×7 100 mm的左旋钢绞线，间排距2 100 mm×1 400 mm，每排4根，每根锚索使用2支MSK2335型及3支MSZ2335型树脂药卷，锚索托盘为300 mm×300 mm的蝶形托盘。喷射砼强度等级不低于C25，喷厚120 mm。使用水泥P.C32.5R普通硅酸盐水泥，砂为纯净的中粗河砂，石子为粒径5～10 mm的碎石。重量配合比为水泥∶砂∶石子=1∶2.76∶3.24，水灰比为0.62。速凝剂掺入量一般为水泥重量的3%～5%，防水剂加入量为水泥用量的6%～8%，抗渗等级P8。

图1 中央带式输送机大巷断面支护示意

2.2 巷道破坏现状及原因

巷道破坏现状：巷道由于受到上覆岩层动静荷载作用，巷道顶板开裂且下沉量大，底鼓严重，两帮变形量大，两帮围岩严重变形，如图2所示。①巷道围岩瞬时变形量大；②巷道底鼓严重；③变形破坏程度和震源能量正相关；④冲击破坏之前，巷道围岩缓慢变形严重；⑤锚杆支护体系严重失效。冲击破坏后的巷道表现为围岩节理、裂隙扩展贯通，强度和完整性弱化，锚固系统锚固性能(锚固力、预紧力)降低，锚固界面粘结劣化失效，锚杆产生塑性变形，杆体内部晶粒扭曲、畸变，晶粒产生剪切、滑移，晶粒被拉长，金相组织紊乱，抗拉强度、延伸率和冲击吸收功普遍降低。

图2 中央带式输送机大巷破坏现场

巷道变形破坏特征及原因：①埋深大，垂直应力高。埋深超过700 m，垂直应力超过 17.49 MPa，对巷道帮部造成很大的覆岩垂向载荷压力。②构造应力强。巷道受DF29断层的影响，此处构造应力强烈，特别是以水平剪切应力为主，对巷道顶底板产生巨大的水平剪切力，不利于巷道顶底板的稳定维护[5-7]。③围岩四周变形。表现为全断面顶帮底大范围强矿压持续剧烈变形位移。受高应力强矿压的影响，本巷道都表现为四周围岩全断面收缩变形，巷道围岩变形表现为不均匀的四周全部来压型。④断面大，围岩稳定性控制难度极大。本巷道对巷道断面要求很高，必须保证较大的巷道断面和变形位移量控制，这对断面形状选择和最终尺寸确定提出了很高的要求[8-10]。⑤冲击区域，多次受周围矿震扰动影响。煤层冲击倾向性类别为Ⅲ类，属强冲击倾向；顶板为Ⅱ类，属弱冲击倾向；底板岩层属于Ⅰ类，为无冲击倾向性的底板岩层。受到邻近的401101工作面采动影响，先后发生5次冲击地压事故。

3 长效主动防冲支护方案设计

3.1 支护方案

设计理念：针对孟村煤矿地质构造及冲击地压发生机理，研究复岩关键层及震源层位，建立巷道冲击地压地质力学分析模型，分析冲击矿震的特征、特点、特色；结合动静载理论[11-14]，分析冲击震动波对巷道围岩的冲击破坏作用效应和支护强度要求，以及深井巷道冲击矿震能级综合指数评定，抗冲能级按1×107J核准设计，形成了适合孟村煤矿深井冲击地压开拓巷道支护方案及具体参数。支护方案设计主要依据“强弱强理论”及关键支护技术，考虑到巷道的最终使用断面，为减少大尺寸扩修对巷道稳定性的不利影响，结合巷道预留变形量等多方面因素，采用主被动复合支护方式，基于“新型锚杆索主动支护+O型棚支护+喷注浆技术”组合支护技术。

具体支护方案：①巷道刷扩成型。巷道顶板开裂且下沉量大，底鼓严重，两帮变形量大，两帮围岩严重变形，将巷道采用巷道修复机扩掘至设计断面；②初喷。巷道扩掘至设计断面尺寸后，喷浆厚度50 mm，使用喷浆保证巷道成型平整度；③锚杆锚索基本支护。顶板、帮部使用φ22 mm×2 500 mm高预应力蛇形锚杆、φ22 mm×7 300 mm后预应力鸟窝锚索、钢带和钢筋网等联合支护，构建内强小结构；④O型棚全断面封闭支护。一次锚网索支护后，采用架设O型棚全断面支护；⑤喷注浆加固。顶板、帮部及底板喷浆并采用短注浆锚杆+长注浆锚索注浆支护；⑥底板治理采用地锚(注浆锚索)+反底拱+鹅卵石+隔水薄膜+高强度混凝土联合支护，反底拱采用U29钢棚制作。支护示意如图3所示。

图3 中央带式输送机大巷支护示意

3.2 矿压观测

监测方法：采用十字布点法进行表面位移监测。巷道修复完毕后，在DF29断层前后各200 m按照每间隔50 m布置1组测站，共布置了8组测站对巷道表面位移、顶板离层进行了监测，图4为大巷修复后现场图。经过2个月持续观测，8组测站中，巷道上帮、下帮、顶板、底板最大位移分别为16 mm、22 mm、46 mm、33 mm，巷道变形量较小。数显式顶板离层仪监测顶板离层数据显示，8组测站中，测站顶板深部离层最大值为45 mm，浅部离层最大值为20 mm。

图4 中央带式输送机大巷修复后现场

监测结果：采用提出的支护方案后，围岩变形得到有效控制，巷道支护状况得以明显改善，目前巷道已经投入正常使用。现场微震监测显示，在单次能量事件达1×106J后，现场统计未出现锚杆、锚索破断及巷道失稳现象，表明该锚杆支护体系整体抗冲性能较强，能够有效控制冲击地压巷道的强烈变形。

4 结论

(1)冲击地压巷道变形破坏的主要影响因素是埋深大，垂直应力高，构造应力强和强采动影响。频繁冲击能量会产生冲击破坏效应，主动支护体系失效导致冲击地压巷道变形严重破坏。

(2)井下工业性试验结果表明，“新型锚杆索主动支护+O型棚支护+喷注浆技术”组合支护技术，能够合理控制巷道变形，释放多余压力。矿压监测结果表明，该方案可有效地控制大巷变形，可为类似条件下的巷道围岩加固提供一定的参考意义及技术支撑。