东海煤矿深部巷道支护技术

摘 要: 煤矿深部巷道围岩压力大，超过其围岩的抗压强度。同时，采区巷道受动压的影响，巷道围岩变形破坏严重，影响正常生产。现场实验表明，东海煤矿埋深 1 000 m 的巷道经受了两个回采工作面的动压影响，围岩受力状态良好，达到了预期目标。

　　东海煤矿核定生产能力 150 万 t/a。二水平五采区下山开采深度已达到 1 050 m。开采深度至700 m时，该矿出现巷道支护困难、维修量大等深部开采问题。随着开采深度的增加，围岩软化现象明显，巷道变形严重，严重影响正常生产，显现典型的深部开采特征。笔者根据该矿巷道破坏情况及相关力学参数，采取优化巷道断面设计，加强关键部分位支护强度等措施对其巷道进行支护。

1 巷道破坏的主要特征

1. 1 巷道顶板下沉弯曲破坏与顶板挤压破坏东海煤矿五采区下山巷道围岩由粉砂岩与页岩等互层组成，层理与节理较发育，在高应力作用下围岩具有明显的软化、破碎现象。巷道顶板受垂直压力与两帮的挤压而弯曲变形，如图 1 所示。

1. 2 巷道两帮围岩向巷道内挤压破坏

在高应力作用下，特别是受回采工作面动压影响，巷道两帮严重向巷道内挤入［1］ ，使巷道围岩表面逐步脱落破坏，尤其是锚杆与锚索托盘附近岩石破坏脱落(图 2)，原有支护系统失效。

1. 3 巷道底鼓

　　采准巷道普遍出现底鼓现象［2］ ，需多次卧底维修，甚至出现采掘不久的巷道就要卧底翻修的情况。

五采区变电所硐室最大底鼓量达到 1. 0 m 以上，如图 3 所示。

2 巷道围岩应力与压力

2. 1 力学参数

　　五采区下山巷道围岩试块力学参数如表 1 所示。由于围岩存在软硬岩层互层，巷道围岩整体强度低。

　　由于岩层与巷道围岩强度、实验室试块强度与井下实际效果的差别，需要确定围岩的综合力学参

数。由表 1 可知，巷道围岩由粉砂岩、细砂岩、页岩与煤互层组成，围岩的综合抗压强度为 σ = 31. 792

MPa、τ =5. 334 MPa、μ =0. 315。

2. 2 围岩压力

　　巷道围岩压力为 p =25. 0 MPa。采动影响集中应力系数取 1. 3，则巷道围岩压力为 32. 5 MPa，超过

了围岩综合抗压强度 31. 792 MPa。根据理论计算巷道侧压系数 λ 为λ = μ/(1 － μ) =0. 459 8，

而根据 Sheorey 提出的经验公式侧压系数为

则巷道的侧压力 σ 1 = λp =10. 02 ～11. 45 MPa，超过围岩的抗剪强度。

3 巷道支护设计

3. 1 设计原则

　　巷道支护设计主要原则是 :

      (1) 以护为原则，防止围岩破碎脱落引起锚杆锚索的托盘失效破坏;

      (2)采用高强度锚杆锚索及金属网组合支护，控制围岩的变形量;

      (3)采用带压、让压支护，锚索支护滞后锚杆支护 15 m 以上，允许围岩有一定压力释放;

      (4) 重点部位加强支护，使围岩整体收缩变形，防止巷道因局部变形量大而破坏。

3. 2 断面形状及支护设计

　　设计巷道断面形状为半圆拱形，巷道宽度44. 0 m，高度 3. 9 m，其中，壁高 1. 9 m，拱高 2. 0 m。

巷道断面与锚杆锚索支护参数如图4 所示。采用直径22 mm、长2.2 m 的左旋螺纹钢锚杆，间排距 0.8 m ×

0. 9 m。锚索长度 7. 0 m，间排距 2. 4 m ×1. 2 m。

3. 3 优化巷道断面

　　经理论分析采用拱形顶板、直墙与弧形底角的巷道断面形状，如图 4 所示 。这种巷道断面形态施工简单，能够改善巷道围岩的应力分布状态，提高自身承载能力，有利于巷道支护。利用数字模拟软件对常规巷道断面与弧形底角巷道断面的围岩应力、变形情况进行模拟计算，剪应力对比结果如图 5 所示。巷道底角留设弧形以后，巷道围岩应力较底角为直角形断面有显著变化。计算结果显示，最大主应力减小 43% ，最小主应力减小 69% ，剪应力减少 43% ，顶 板 下 沉 量 减 少 2% ，底 鼓 量 减少 42% 。

4 应用效果实验巷道在五采区回风下山。实验前五采区回风下山巷道已施工了 60 m，此后新掘巷道按新设计

方案施工。

4. 1 巷道围岩变形观测

在同一下山巷道内原支护设计方案已施工2 个月。新设计方案施工区设两个，测区，每个测区设计两个观测

点，连续观测4 个月。部分观测结果如图6 所示。

4. 2 对比分析

　　原支护方案顶底板移近量为 30 mm，两帮移近量为 170 mm，围岩变形还在继续增加。新设计方案

的顶底板移近量为 40 mm，两帮移近量为 120 mm，巷道围岩变形基本稳定。在施工后的两年内，回风

下山巷道经受了两个回采工作面的动压影响，新支护设计方案巷道段没有维修，而原支护设计方案巷

道段已经维修 1 次。

5 结 论

(1)东海煤矿深部巷道围岩变形破坏的主要方式为，围岩压力大，使围岩表面逐步破碎，局部锚杆和锚

索托盘失效。由此，支护设计原则首选以护顶护帮为主，采用高强度锚杆锚索及金属网组合支护，且锚索滞

后锚杆支护，围岩压力有一定的释放时间。同时，加大巷道关键部位的支护，可有效控制巷道围岩破裂程度。

(2)巷道留设弧形底角，改变了围岩应力状态，降低了巷道底鼓程度，两帮的移近量明显减少，深部巷道的稳定性显著增强。