第２９卷第５期 龙岩学院学报 Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．５ ２０１１年１０月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＯＮＧＹＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳｎＹ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１ １ 复杂多变地质条件下巷道支护方式的设计 周桂铨，王世潭 （龙岩学院资源工程学院福建龙岩３６４０１２） 摘要：煤矿开采转入下水平以后，地质条件由简单到复杂，各种围岩应力交错显现。矿山压力显 著增大，给巷道支护带来较大的困难。阐述了巷道围岩应力，针对煤矿复杂多变的地质条件．提出 对传统的支护方式进行重新设计，采用大断面金属支架、可伸缩金属支架、锚网喷支护技术等，在 巷道支护方面起到了很好的效果。 关键词：水平巷道；围岩压力；支护方式；设计选择 中图分类号：ＴＤ３５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—４６２９（２０１１）０５—００２１—０３ １前言 原来具有各种弱面的岩体产生剧烈变形。原有的弱 随着煤矿开采深度不断增加，地质条件由简单 面进一步发展，同时产生新的裂隙，巷道维护更加 到复杂，岩层裂隙和断层构造也愈来愈多，矿井地 困难。采动压力是由于矿山开采活动所形成的各种 压及水平向地应力明显增大。巷道围岩变形量增速 集中压力，包括回采工作面超前集中压力、顶板跨 加快，巷道的掘进和支护都显得十分困难。如何有 落集中应力、一侧采空的单侧煤柱压力、两侧采空 效地保持巷道和大断面硐室的稳定性。成为巷道施 的双侧集中压力及其它叠加压力。［２１这些动压会使 工和支护中一个必须认真探究的课题。 受其影响的已掘巷道压力增大，如果巷道的支护不 ２巷道围岩应力 能适应采动影响带来的应力变化．或者没有及时采 ２．１ 围岩破坏区 取相应的加固补牢措施，则巷道就发生不同程度的 巷道开挖后，因能量释放，使巷道围岩应力场 破坏或围岩松动失稳，并发生显著断面变形和位 重新分布，垂直应力和水平应力都在掘进面前方和 移，直至片帮冒顶而影响巷道的正常安全使用。 后方出现应力降低区与升高区，巷道围岩将出现破 坏区（如图１）。复合顶板将产生塑性变形即塑性离 层，当结构面上剪应力超过抗剪强度后，结构面将 由于剪切错动而分离形成错动离层．受自重和上覆 围岩压力作用将产生弯曲。相邻岩层在结构面某位 置如果弯曲程度不同，将产生弯曲离层，同时结构 Ｏ 宕破环区ｂ 】贝椒帔环ｆ荀赝 ｅ－—巷帮破坏深度 面上则产生层间离层，此时巷道压力呈现由层间离 图１巷道开挖以后的围岩破坏区 层和错动离层两部分组成Ｉ”．这两部分离层的岩石 ３支护技术设计 压力就直接压在巷道支架上。又由于受采动压力影 ３．１ 围岩特征 响。层间离层和塑性离层显得很不稳定，当塑性离 福建煤电公司坑柄煤矿是一个开采历史久远 层和层间离层超过一定值时，会对支架造成破坏，引 的矿区，设计能力为２１万吨，年，采用平硐上山开 起片帮或冒顶。 拓方式，主平硐标高为＋４８５水平（一水平）。近年来 ２．２采动压力 矿井生产转入三水平（标高为＋１７２），由此呈现出地 当煤矿开采深度加大以后。在大采深的影响下 质条件复杂多变、断层构造增多、岩层裂隙发育、矿 巷道围岩岩性趋于恶化，又因受到采动的影响，使 山压力显著增大、巷道维护困难等现象。在一些主 收稿日期：２０１ｌ ６—１３ 作者简介：周桂铨，男，福建福州人，实验师，主要研究方向：采矿工程及围岩支护。 基金项目：福建省教育厅Ｂ类项目（ＪＢ１０１６３）。 ２１ 要的运输巷道，用传统的坑木或防腐坑木作支护显 然已经无法满足生产所需。巷道的矿压控制已经成 为开采能否顺利进行的制约因素。 为降低材料消耗，减少巷道维修费用，针对复 杂多变的地质条件．分别在矿井开采水平较深、压 力较大的采区运输大巷、集中运输巷等地点对传统 的支护方式进行重新设计，选择了锚网喷支护、大 断面金属支架、ｕ型金属支架等支护技术，形成了 多种形式并存的支护方式，在矿井支护方面起到了 较好的效果，值得借鉴。岩石力学参数及岩性特征 见表１、表２。 表１岩石力学参数 称 剪 内 泥 岩 深灰色，块状，夹细粒砂岩条带，含植物化石碎片 砂质泥岩灰色，块状，含植物根部化石和少量白云母碎片 细砂岩灰色，以石英为主、闯长石、岩屑，泥硅质胶结，夹 砂质泥岩 中砂岩灰色，以石英为主、间长石、岩屑，硅质胶结，裂隙 发育．节理明显 灰 岩 深灰色，裂隙发育、充有方解石脉，隐晶质结构 ３．２大断面金属支架 金属支架具有强度高、体积小、坚固耐久、防火 和可回收复用等优点，可用于断面较大、地压较大 的巷道，是良好的坑木代用品。７．２ｍ２大断面金属支 架是在６．０ｍ：金属支架的基础上设计的。采用该种 特殊金属支架支护，不仅可以承受较大的地压，且 净断面大，能满足电机车行驶要求，适用于采区生 产能力在６万Ⅱ屯／年左右，服务年限较短的开拓巷道。 ７．２ｍ２大断面金属支架参数：支架梁长设计为 １．９８ｍ，净宽为１．７５ｍ，配２．８ｍ／２．６ｍ长短支架腿，采 用１１＃工字钢（２５ｋｇ／：￣）为原材料，巷道断面呈梯 形，支护后巷道上净宽１．７５ｍ，下净宽２．６５ｍ，净高 ２．３ｍ（轨面起）。 该种金属支架主要在十采区＋１７２水平运输大 巷见煤地段处应用，棚距为１ｍ。该运输大巷围岩主 要是砂质泥岩、泥质砂岩或细砂岩，围岩致密性差、 ２２ 地压大，开掘后易风化脱落，岩性不够稳定，易受采 动影响而片帮或垮顶。从使用的情况来看，仅约 １０％支架因受侧压推力影响而变形外，大部分支架 都能承受较大地压，基本达到预期效果。但此种金 属支架不宜在有酸性水腐蚀的地区使用。 重型工字钢大断面金属支架＋砌旋墙的支护方 式．也是一种较好的支护技术。该支护具有抗正向、 侧向压力好、不易变形特点，便于观测巷道受压情 况及支架的维修。可用于地压特别大的地段，适用 于服务年限长的巷道如主石门、主要运输巷和人行 上山、轨道上山等。使用时需要用金属连杆把各金 属支架联系起来形成支护整体。 ３．３锚网喷支护技术 锚网喷支护属于主动支护的一项新技术，它利 用金属网结合传统的锚喷技术，适用于围岩致密性 较好、岩层较厚、地压大的地段，具有断面利用率 高、安全性能好、施工简单等优点。 随着煤矿开采深度不断增加，巷道压力也不断 加大。锚杆支护技术也在不断发展和更新。在锚杆 材质上：从木、竹锚杆一砂浆锚杆一管缝式锚杆＿＋ 圆钢锚杆一全螺纹钢锚杆－＋ＫＭＧ５００、６ＯＯ等高强 度锚杆，锚杆的强度不断增强。在锚杆直径上：从 １２ｍｍ— １４ｍｍ—｝１６ｍｍ—｝１８ｍｍ—｝２Ｏｍｍ— ２２ｍｍ—｝ ２５ｍｍ等高强度锚杆，锚杆的直径不断加大。【３１影响 锚网喷支护效果的因素主要有地质条件、支护参 数、支护工艺、采动影响、掘进速度、经济效益等，且 各个因素相互制约、相互关联，需要综合考虑各因 素来确定具体的锚网喷支护形式。巷道围岩的支护 效果和稳定性除了与地质条件、围岩力学特性等有 关以外，还与锚杆的支护形式、锚杆类别、间排距等 有很大的关系。［４】 锚网喷支护参数。由于该支护地段十采区运输 大巷的巷道断面为三心拱或圆孤拱，所以锚杆长度 要视围岩的厚度、地压大小等具体情况而定。此设 计的基本参数为：采用１．６ｍ长的管缝式锚杆，基本 能满足使用要求。每米锚杆根数视周长而定，锚杆 间距约为５０ｅａｒ～８０ｃｍ，拱顶稍密，两邦稍疏，即每米 锚杆数控制在５—７根。金属网采用８号或１０号铁 丝，人工编网。网孔１０ｃｍｘ１０ｃｍ。 该支护方式经现场使用总体效果良好．当采用 机器编制的金属钢丝网，因规格单一，搭配效果不 佳，支护效果较差。而采用自编金属网支护地段能 较好地维护巷道断面，做到基本不变形，是一种值 得推广的支护新技术。 ３．４ Ｕ型可伸缩金属支架 泛应用，能在任何岩性巷道中使用。工字钢７．２ｍ＂ 和６．０ｍ２金属支架，抗压性能好，断面能满足电机 车行驶要求，可替代坑木用于一般性的生产巷道支 护，能反复回收利用，有效地降低成本。 （３）Ｕ型可伸缩金属支架可用于地压较大的地 ｕ型钢可缩性金属支架，适用于地压大、地压 不稳定、围岩变形较大的地段。该形式的支护原理 是以支架的微小变形来抵制围岩的压应力。从而达 到围岩应力重新分配并平衡的结果。与传统的工字 钢金属支护相比，能承受较大的侧压力。但因其会 产生较大的变形量、形体笨重、不易操作等，因而使 用效果比大断面金属支架欠佳。 段，因有一定的可伸缩性故能经受一定程度的侧压 力，还具有抗压抗弯等性能，但若巷道压力变化过 大时，其断面会产生较快变形，影响巷道利用率。使 用前需要进行巷道围岩压力测试，以设计其可伸缩 Ｕ型可伸缩金属支架参数：该支架采用的上梁 为工字钢标准金属梁，即梁长为２．０ｍ、净宽为 量，并确保巷道断面有效使用。 １．７５ｍ，配２．６ｍ／２．４ｍ长、短支架腿，支架腿采用Ｕ ４结语 型钢为原材料，巷道断面呈梯形断面积为６。６ｍ＇，支 巷道的维护状况主要受制于巷道围岩的稳定 护后巷道上净宽为１．７５ｍ，下净宽为２．５５ｍ，净高 性、围岩强度及支护方式等。［５１矿山地质条件复杂多 ２．１ｍ（轨面起）。 变，各种类巷道的地质环境不尽相同。而巷道支护 该种支护主要用在十采区＋１７２水平运输大巷 方式及支护材料亦多种多样，各种支护方式都有其 Ｄ４８与Ｄ４０间致密性差、地压大的地段，棚距 特点。因此在支护方式的设计上，应根据具体地段 ０．８ｍ。使用后由于受顶板压力和地压共同作用，ｕ 地质条件，分析巷道围岩受力情况、围岩性质特征 型金属支架会产生变形。支架双腿的平均位移量在 参数，针对性地在不同地段、不同地压、不同断面采 １５ｃｍ以上。在侧压受力方面，棚梁卡头的横向位移 用不同的支架。应使该种支护方式能适应该处地质 量也较大，但地压不均衡，支架一般呈单向移动，最 状况，维护巷道不变形，以获得最佳支护效果。 大位移量达到３８ｃｍ，约有６％的支架因受侧压作用 导致卡环断裂。因此，使用中要加强巷道围岩压力 参考文献： 监测，及时采取技术措施进行支架的维护整固，尽 【１】吴德义．新集二矿１６０８运输巷顶板离层特征分析 量减少支架腿的位移及巷道断面的变形量。确保巷 ［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１０（８）：１８． 道断面正常使用。 ［２］胡胜勇，张占国，夏同强，等．远距离下保护层开 ３．５支架分析 采条件下采动动压区的分析［Ｊ］．煤炭技术，２０１０（９）：５８． （１）锚网喷支护技术属于主动性支护，能在多种 ［３］徐成亮．深部高应力巷道锚杆支护技术初探［Ｊ】． 地质环境下使用，具有巷道断面利用率高，施工简 煤炭科学技术．２００６（７）：７６． 便，支护成本低，便于观测围岩变化，安全性能好等 ［４】郭忠平，李光证，黄万朋．采动应力作用下深井巷 道围岩稳定性分析与控制［Ｊ】．煤矿安全，２００８（７）：６９． 特点。但对岩性的要求较高，支护材料无法回收，适 ［５］屈凡非．复杂条件下“三软”煤巷返修支护的实践 宜对巷道进行永久性支护。 ［Ｊ】．煤炭科技，２００８（３）：５７． （２）金属支架支护技术因其适用性强而受到广 ［责任编辑：邱维敦］ Ｔｕｎｎｅｌ Ｓｕｐｐｏｒｔｓ Ｄｅｓｉｇｎ ｕｎｄｅｒ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ＺＨＯＵ Ｇｕｉ—ｑｕａｎ，ＷＡＮＧ Ｓｈｉ—Ｔａｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ａｔ ａ ｄｅｅｐｅｒ ｌｅｖｅｌ，ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ｔｏｍ— ｐｌｅｘ ｗｉｔｈ ｖａｒｉｏｕｓ ａｄｊａｃｅｎｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｉｎｇ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ ａｎｄ ｍｉｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｓ ｍａｊｏｒ ｄｉｆｉｆｃｕｌｔｙ ｆｏｒ ｔｕｎｎｅｌ ｓｕｐｐｏｒｔｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｄｊａｃｅｎｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｒｅｄｅｓｉｇｎ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｉｔｏｎａｌ ｓｕｐｐｏｒｔｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ ｃｈａｎｇｅａｂｌｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｉｔｏｎｓ．Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｂｉｇ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｓｕｐｐｏｒｔｓ，ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ｍｅｔｌａ ｓｕｐｐｏｒｔｓ ａｎｄ ａｎｃｈｏｒ ｎｅｔ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｒｏｖｅｓ ｄｅｓｉｒ－ ｂａｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｓｕｐｐｏｒｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｏｆｉｚｏｎ￣ｌ ｔｕｎｎｅｌ；ａｄｊａｃｅｎｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｓｕｐｐｏｒｔｓ ｐａｔｔｅｒｎ；ｄｅｓｉｎｇ ｃｈｏｉｃｅ