深井大断面巷道支护技术分析与应用

姚贵成 祁乐 张云魁 苏鹏 靳国磊

（河南能源化工集团鹤煤三矿，河南鹤壁 458000）

深井大断面巷道支护技术分析与应用

姚贵成 祁乐 张云魁 苏鹏 靳国磊

（河南能源化工集团鹤煤三矿，河南鹤壁 458000）

随着我国煤矿开采深度的逐渐加大，巷道的支护效果成为制约矿井高效生产的关键性因素。河南能源化工集团鹤煤三矿四水平南翼皮带巷为深井巷道，结合该矿的地质特点与相关参考资料，提出锚网喷支护方案，并通过现场监测表明，该支护方案很好地控制了巷道围岩的稳定性，为矿井的安全高效生产打下了坚实基础。

深井巷道；高应力；支护方案；现场监测

近年来，随着我国煤矿开采深度的逐渐加大，深部巷道的支护效果成为影响煤炭开采的重要制约因素［1，2］。对于深部巷道来说，由于其处于复杂的地质条件和高地应力的环境中，极大地加大了巷道支护的难度，造成深部巷道大面积破坏失稳。相关数据表明［3］，由于深部开采造成的巷道围岩片帮、顶板冒顶等安全事故，占矿山事故总数的40%以上。本文以河南能源化工集团鹤煤三矿四水平南翼皮带巷为工程背景，结合理论计算和数值模拟等手段提出相关支护方案，并进行现场工业性试验，取得了理想的支护效果。

1 工程概况

鹤煤三矿四水平南翼皮带巷位于该矿-600水平，主要承担该矿第四水平的运输任务，巷道设计断面为掘宽×高=5 200mm×4 000mm；净断宽×高=5 000mm×3 800mm，直墙半圆拱断面，断面面积：S掘=17.90m2，S净=16.32m2，设计长度为910m。该巷掘进期间将揭露F41-2、F3033、F3034这三条断层，巷道掘进期间主要揭露的岩层为中细粒砂岩和砂质泥岩、煤线等，岩性破碎松软，易发生事故。

2 深部巷道影响因素分析

2.1 高地应力

大量的工程实践表明，深部巷道的水平地应力一般大于垂直地应力，深部岩体的水平构造应力一般可达垂直应力的1.25～2.50倍。而对于断层褶皱等地质构造附近的岩体，因构造应力的影响较大，地应力分布则更为复杂［4］。在高地应力作用下，巷道围岩可依次分为破裂区、塑性区和弹性区。开挖后，与浅部巷道不同，深部巷道表面进入屈服状态后，高应力区逐渐向深部扩展，而塑性区会逐渐扩展，故深部巷道在开挖后围岩较为破碎，增加了支护难度。

2.2 围岩力学性质

深部巷道的围岩性质与浅部巷道发生了显著变化，与在低围压作用下浅部巷道破坏方式多表现为脆性破坏相比，深部巷道在高围压作用下巷道围岩常表现为较强的蠕变性，巷道围岩变形量较大。尤其是在断层等复杂地质构造下，其围岩在复杂地质构造作用下常常在未开挖前就已发生塑化，因此巷道护难度也会大大增加。

3 支护技术方案

由以上影响因素分析，深部巷道呈现出变形量大等特点，而锚网喷支护可以改善岩体的力学性能，发挥围岩的承载力，降低围岩变形速率，故本巷道的支护方式采用锚网喷支护，并利用悬吊理论设计锚杆参数。

3.1 锚杆长度

按悬吊理论设计锚杆长度时，其计算公式如下：

式（1）中，L1为锚杆外露长度，取决于锚杆类型与锚固方式，一般取0.15m；L2为锚杆有效长度，由现场经验取1.4m；L3为锚杆锚固长度，端部锚固一般取0.3～0.4m，本次取0.35m。带入相关数据得L=1.9m，取2.0m。

3.2 锚杆间排距

根据每根锚杆悬吊的岩重，计算锚杆的间排距S1、S2，通常按锚杆等距排列：

式（2）中，Q为由拉拔试验确定的锚固力，取60kN；K为锚杆安全系数，取2；γ为岩石体积力，取27kN/m3。带入相关数据得S1=S2=0.9m，取0.7m。

结合以上计算，四水平南翼皮带巷的锚网喷设计参数为：锚杆间排距为700mm×700mm，顶部采用11根φ22mm×2 000mm的螺纹钢锚杆，两帮采用4根φ22mm× 2 000mm的螺纹钢锚杆，金属网由φ6.5mm钢筋加工，规格2 000mm×1 000mm，网目100mm×100mm，搭接100mm，喷厚100mm。砼强度等级为C20。为了增加巷道围岩的稳定性采用φ17.8mm×6 000mm的锚索进行支护间排距1 400mm×2 100mm，托盘采用规格为250mm×250mm× 20mm的锚索托盘。锚索锚固力不低于120kN。支护方案如图1所示。

4 数值模拟验证

针对该巷道地质条件建立数值模型，并对理论设计的支护方案进行验证，位移数据图如图2所示。通过图2可以看出，随着距离巷道越近，巷道的位移量越大，两帮最大变形量分别是96.4mm和98.3mm，顶底板最大变形量分别是102.6mm和86.7mm。由此可以看出此方案可行，能有效保证巷道围岩的稳定性。

图2 巷道围岩变形图

图2 巷道围岩变形图

5 实例验证

为及时全面地了解该支护方案对巷道围岩在断层段的围岩变形控制效果，设置2个位移观测点。经过90d的观测，如图3所示，在50d以后巷道趋于稳定，顶底板位移在120mm左右，两帮位移在110mm左右，并在观测期间支架没有发生弯曲现象，巷道整体轮廓形状无变化，且并未发生顶板冒顶和安全事故，说明该支护方案适应了该地质条件，保证了巷道围岩稳定。

图3 巷道位移观测数据

［1］刘泉声，张华，林涛.煤矿深部岩巷围岩稳定与支护对策［J］.岩石力学与工程学报，2004（21）：3732-3737.

［2］邱忠跃.深部高压破碎岩石锚索支护实践［J］.煤炭技术，2005（6）：58-58.

［3］靖洪文，李元海，许国安.深埋巷道围岩稳定性分析与控制技术研究［J］.岩土力学，2005（6）：877-881.

［4］王连国，李明远，王学知.深部高应力极软岩巷道锚注支护技术研究［J］.岩石力学与工程学报，2005（16）：2889-2893.

Analysis and Application of Support Technology for Large Cross Section Roadway in Deep Mine

Yao GuichengQi LeZhang YunkuiSu PengJin Guolei

（Hebi Coal Mine，Henan Energy and Chemical Industry Group，Hebi Henan 458000）

With the deepening of coal mining in China,the supporting effect of roadway becomes the key factor to re⁃strict mine high-efficient production.The four-level south wing belt roadway in Hebi coal mine of Henan energy and chemical industry group is a deep mine roadway.Combining with the geological characteristics and relevant refer⁃ence materials,the support scheme of bolting and shotcreting support was put forward,and the monitoring results showed that the support scheme could control the stability of surrounding rock well and lay a solid foundation for safe and efficient production of mine.

deep mine roadway；high stress；support scheme；site monitoring

TD353

A

1003-5168（2017）02-0097-02

2017-01-16

姚贵成（1980-），男，本科，助理工程师，研究方向：巷道掘进技术。