榆树沟煤矿软岩巷道支护方案优化研究

李艳辉， 霍江虎， 翟召宁， 荣 辉

(1.沽源金牛能源有限责任公司， 河北 张家口 075100; 2.河钢矿业矿山设计有限公司， 河北 唐山 063000)

1 工程概况

矿区位于河北省张家口市沽源县榆树沟村北部，井田内可采煤层及局部可采煤层自上而下为15煤、14- 1煤、14煤、12煤、3煤。煤层埋深143.42～697.35m，巷道底板岩石以泥岩、砂质泥岩为主，泥岩占34%，砂质泥岩38%，砂砾岩占13%，粉砂岩占9%，细砂岩占6%。岩芯呈柱状，为泥质胶结，砂砾岩局部松散、破碎。

2 原支护方案

2.1 原支护方案

在主副井贯通巷道布设测站，该巷道为上半圆拱勺下底拱形断面，巷道设计最大掘进宽度5 588mm，最大掘进高度5 298mm，支护后净高3 700mm，净宽5 000mm，设计采用锚网喷、锚索、U型钢棚联合支护，支护材料及支护参数见表1，巷道支护断面如图1所示。

2.2 巷道表面变形监测

在主副井贯通巷道内依次布置5个测站，监测巷道围岩表面变形、深部围岩位移的情况，测站布置示意图如图2所示。第一阶段监测周期内，巷道两帮和顶板采用锚杆、索锚一次支护。巷道表面位移累计位移量和平均移动速度如图3、图4所示。

综合各测站数据分析，主副井贯通巷道围岩变形较大，且大部分测站围岩移近量没有稳定，围岩变形仍在持续。在监测周期内所设各测点围岩移近量均在220mm以上，最大达389mm，围岩平均移近速度在2.8～5.3mm/d。除测站5外，其余测站安装时巷道已经掘进完成，测站1至测站5布设时距巷道开挖时间依次变近，因此各测站数据显示，监测时间距巷道开挖的时间越短，在固定监测周期内，围岩累计变形量越大，围岩变形速度越快，符合巷道开挖后的稳定过程[1]。同时，测站1布置于巷道断面交界处，围岩变形量与变形速度比测站2、测站3略高，这表明巷道断面越大，围岩变形量越明显[2]。

表1 监测巷道支护材料及支护参数表

图1 巷道支护断面图

图2 测站布置示意图

图3 各测站围岩累计移近量

图4 各测站围岩平均移近速度

巷道内部岩体位移量如图5所示，距副井筒22.3m处顶板布置深基点位移测站，共监测100d。期间巷道顶板深部位移持续增长，没有稳定，其中0～1m范围内的岩层累计变形量40mm，0～1.8m范围内的岩层累计位移量为120mm，0～4m范围内的岩层累计位移量达340mm，即0～1m、1～1.8m、1.8～4m范围内的岩层累计位移量分别占全部位移量的11.7%、23.5%、64.8%。

图5 巷道内部岩体位移量

在监测周期内，巷道围岩持续变形，除监测期间巷道卧底影响外，变形速度总体趋缓。但巷道仍然没有稳定，巷道顶底板移近量和两帮移近量基本保持同步，变形量大，各测点围岩累计变形量均在220mm以上；巷道围岩持续变形，位移量大，围岩位移主要发生在4m范围内，目前采用的长度为6 500mm锚索仅允许产生195mm的延伸，无法满足巷道围岩变形特征，应采用适应围岩大变形特征的高延伸率支护材料[3]。

3 巷道支护方案优化

为适应榆树沟煤矿软岩巷道围岩持续变形，总体位移量大的特点，进行了支护材料特性试验，实验室试验结果显示：长度为4m的φ20mm可接长锚杆、φ17.8mm锚索、φ15.24mm锚索的最大延伸长度分别为685mm、135mm、125mm。φ20mm可接长锚杆的延伸率可以达到17.1%，分别是φ17.8mm锚索、φ15.24mm锚索的5.1倍、5.5倍。

研究表明，软弱围岩巷道支护宜采用一次支护让压，充分释放围岩的变形能，二次支护提供高强度工作阻力补偿软弱围岩体因流变而产生的应力降低，促进围岩体向长期强度和巷道稳定状态转化，避免巷道围岩在应力状态下承载力降低再次失稳。高强二次支护工作阻力通过高强支架提供，因此二次支护主要考虑能够提供高强支护阻力的支架[4]。

基于以上分析，建议采用可接长锚杆、刚性长螺纹锚杆等新型支护材料。

(1)可接长锚杆采用专用连接头将两段杆体对接而成，连接头强度与杆体一致，具有比锚索更合理的延伸特性，可以与围岩协调变形，能够克服锚索延伸率低、围岩变形后易被各个击破的缺点[5]，可接长锚杆如图6所示。

图6 可接长锚杆

(2)刚性长螺纹锚杆采用专用连接头将刚性长螺纹锚尾与锚杆杆体连接而成，该锚杆的螺纹部分刚性大，不变形，扩帮后锚杆螺母可继续拧紧，无需重新补打新锚杆。同时，因为加工的螺纹长，可有效避免锚杆安装时因螺纹长度不够、难于紧固托盘导致的锚杆报废[6]，具体如图7所示。

图7 刚性长螺纹锚杆

基于以上分析，榆树沟软弱围岩巷道建议一次支护采用可接长锚杆+刚性长螺纹锚杆的协调支护技术，二次支护采用以工字钢高强支架为骨架的混凝土充填封闭围岩的高强支护体系[7-9]，优化后的巷道支护断面如图8所示，支护材料消耗见表2、表3。

图8 优化后的巷道支护断面图

表2 一次支护消耗材料对比表

表3 二次支护消耗材料对比表

4 结论

(1)榆树沟软岩巷道一次支护采用可接长锚杆+刚性长螺纹锚杆的联合支护技术，二次支护采用以工字钢高强支架为骨架的混凝土充填封闭围岩的高强支护体系。

(2)优化后的支护方案取消锚索，克服了锚索伸长率低、不适应围岩变形大的弊端，基本消除冒顶隐患；每米巷道减少钻孔工程量39.1m，提高掘进支护速度；节省支护材料，降低支护成本。

(3)16#工字钢单位重量的正向承载能力是U29型钢的2.2倍；工字钢支架巷道断面利用率高，每米巷道节约成本约670元。