极破碎围岩条件下巷道支护稳定性技术研究

采矿技术 第20卷 第1期 Mining Technology，Vol.20，No.1 2020年1月

Jan.2020

极破碎围岩条件下巷道支护稳定性技术研究

朱启杰，秦庆举，刘 刚

(陕西金源招贤矿业有限公司， 陕西 宝鸡市 721500)

摘 要:以某矿北翼回风大巷为例，通过现场取样、实验室试验分析获得了极破碎围岩条件下巷道围岩的组分及力学参数。针对极破碎围岩巷道在不改变原有支护参数的基础上，通过采用管缝式锚杆超前护顶，同时采用“三台阶五步流水作业法”组织对巷道施工，施工过程中通过矿压监测围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，使围岩控制达到理想效果。

关键词:极破碎围岩;岩性分析;支护稳定性;三台阶五步流水作业法

DOI:10.13828/j.cnki.ckjs.2020.01.019

极破碎围岩巷道煤（岩）体变形机理、破坏机煤（岩）体较为破碎的现象，用井下常规的支护形理和力学性质主要受煤（岩）体结构的控制。在极破碎围岩巷道中支护效果不佳，顶板及帮部煤（岩）体破碎严重的原因往往不是支护体强度不够，而是支护过后，支护材料与煤（岩）体未在巷道围岩浅部形成稳定、有效的承载结构，在冲击载荷、卸压和支护结构等多种因素的作用下支护产生结构性失稳破坏。对巷道施加锚网梁索支护的目的是控制煤（岩）体不发生过大的变形和破坏，提高煤（岩）体的稳定性，但在极破碎围岩巷道中围岩浅部的稳定性决定支护效果，如果只提高支护的强度和刚度，其实并不能够从根本上解决巷道支护所面临的问题，所以如何在增强巷道围岩浅部稳定性的同时，对浅部围岩支护承载结构实施结构补偿以便提高巷道支护结构的整体稳定性和承载能力，这对解决极破碎围岩巷道的支护难题至关重要。因此无论是研究锚杆（索）支护围岩的稳定性，还是选择合理的支护型式和支护参数，都必须对围岩结构首先有一个正确认识。针对巷道掘进过后来压快、巷道

式已难以维持巷道煤（岩）体的长期稳定，因此研究适用于地质复杂的破碎围岩支护技术，对于提高矿井生产效率具有重大意义。

1 地质概况

某矿北翼回风大巷位于井田中部，东西部为首采区工作面，北部与+980水平大巷相连，南部为回风立井。根据地质柱状和巷道布置层位，北翼回风大巷斜段下口处于3煤中，位于处于3煤顶板位置，下段始终处于3煤顶板位置，受DF6∠60°，H=0~18 m断层影响，斜段上口从3煤中穿过至3煤底板。3煤位于延安组第一段，夹矸一般位于煤层上部或下部，矸石厚度0.05～0.60 m，含矸率0%～5.8%。3煤层顶板为灰绿色泥岩，断面光滑，具有油脂光泽，松散破碎，一般厚度1.00～10.8 m左右，亦有炭质泥岩伪顶，厚度0.10～1.60 m，个别地段直接与第二段底部砂岩接触。底板为灰褐色铝土质泥岩或铝土质粉砂岩，一般厚度1.2～5.00 m。如图1所示。

图1 北翼回风大巷所处层位

朱启杰，等：极破碎围岩条件下巷道支护稳定性技术研究 北翼回风大巷设计断面：净宽×净高=5400 mm ×4300 mm，S净=20.1 m2。为加快施工进度，北翼回风大巷斜段采用对头施工，上段采用综掘施工，下段采用炮掘施工。该巷道掘进初期，由于顶板岩石较为破碎，局部围岩裂隙节理发育，巷道淋水严重，导致巷道成型差、支护效果不佳；后期巷道普遍变形较大，局部变形破坏严重，甚至出现锚索被拉断的现象，严重制约巷道掘进速度，延长了矿井基建周期。表现最为突出的就是已施工的北翼回风大巷（下段），在巷道贯通一年多的时间内，一直未间断过修护。

2 岩石力学测试及组分分析

对北翼回风大巷变形破坏严重地段进行围岩取样，如图2所示。通过X射线衍射实验，各岩样均发现有粘土矿物成分，从实验结果看，巷道局部围岩成分主要包括：伊利石/蒙脱石混层、石英、方解石、高岭石、菱铁矿及白云石。其中高岭石及伊

利石遇水软化、碎裂、崩解，而蒙脱石遇水体积发生膨胀，

进而软化松散，均属于粘土类泥质膨胀岩。

(a) 灰绿色泥岩 (b) 紫红色泥岩

图2 岩石取样

3 现场问题解决方案

针对上述情况，在不改变原有锚网梁索喷支护

参数的基础上，进一步优化施工组织方案，采用三台阶五步流水作业法对巷道进行组织施工，即巷道开挖采用台阶法施工，先施工拱基线以上部分巷道，对拱顶进行支护；然后掘进至腰线位置，确保巷道贯通；最后对巷道腰线以下部分进行卧底、支护成巷。施工过程中通过矿压监测（表面位移监测、顶板离层监测及锚杆、索受力监测）掌握围岩和支护的变形情况，进而及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全。 3.1 三台阶五步流水作业法

三台阶五步流水作业法是以弧形导硐预留底部巷道为基本模式，分为上、中、下3个台阶进行开挖与支护施工，前期先施工上、中两个台阶，待

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巷道贯通后再施工下部台阶。施工工序如图3所示。

Ⅰ—超前支护；1—上部弧形导硐开挖；Ⅱ—上部初期支护； Ⅲ—上部加强支护；2—中部开挖；Ⅳ—中部永久支护；

3—底部卧底；Ⅴ—底部永久支护。

图3 三台阶五步流水作业法施工工序

三台阶五步流水作业法关键在于做好工序衔接，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳，基本原则为：弱爆破，管超前，短进尺，早封闭，强支护。

第一步，上部台阶（拱基线以上部分巷道）开挖施工。

（1）对巷道拱顶的部分进行管缝式锚杆超前支护。

极破碎围岩巷道顶板不易控制，所以沿开挖轮廓线，以合适的外插角，向开挖面前方安装管缝锚杆，形成对前方围岩的预锚固（预支护），在提前形成的围岩锚固圈的保护下进行巷道掘进。结合北翼回风大巷顶板围岩实际，选用施工超前管缝式锚杆方式配合初喷作为超前支护，超前管缝式锚杆采用材质为Q235高强合金带钢加工而成，规格：L× =2500 mm×30 mm。

超前管缝式锚杆安装在巷道轮廓线外100 mm处，间距300 mm（可根据拱部岩层具体情况进行布置）；超前锚杆方向必须与巷道掘进方向平行，角度掌握偏差不能过大，后部外露部分与已支护巷道进行搭接，并保证爆破后锚杆的顶部仍能锚固在原岩里不少于500 mm。施工时应使用专用推进器安装锚杆，不能用大锤人力打入，以免把锚杆打弯，半途而废。

（2）进行机械或者弱爆破施工，爆破时严格控制炮眼深度及装药量，周边部位预留10~30 cm进行人工风镐作业，以减少对围岩的扰动。

（3）根据锚杆排距及现场顶板岩性确定循环进尺，逐排掘进且掘进一排支护一排。根据现场实际情况改变循环度，严格控制空顶距，尽力缩短空

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顶时间，巷道顶帮部锚索、锚杆必须紧跟掘进工 作面。

（4）如掘进过程中发现地质条件突变，巷道围岩破碎，可以通过技术部门研究采取缩小锚杆间排距，挂网、喷浆联合支护等形式，同时要加强现场管理。

第二步，上部台阶（拱基线以上部分巷道）初期支护。

开挖后立即对围岩进行初喷30~50 mm混凝土，初喷后及时进行锚杆配合钢筋网进行系统支护，再进行二次复喷20~40 mm混凝土至设计厚度。

第三步，中部台阶（拱基线以下到腰线部分巷道）开挖、支护。

第四步，上部台阶（拱基线以上部分巷道）补强支护：

极破碎围岩条件下，巷道变形量较大，在施工完超前锚杆后，为避免采用锚杆-锚索联合加固支护时因锚索延伸量超过极限而破断，采用类似于软岩支护中的二次支护方法及其作用原理进行锚索加强支护。在巷道开挖初期，围岩自身整体性好，通过初期支护-锚杆的加固作用，锚固体系的承载能力有所提高，围岩在一定变形范围内可以保持自身的稳定。随着围岩变形的增大，锚岩支护体的承载能力和自稳性降低，同时围岩集中应力移往深部，围岩变形趋于平稳。在锚岩支护体失稳之前，再通过补强支护-锚索的悬吊作用，保持锚岩支护体和围岩的稳定。由于锚杆-锚索的锚固力和预紧力的作用，在岩体周边一定厚度的范围内形成了一个不仅能维持自身稳定，而且能防止周围煤体松动变形的加固拱。最终完成对破碎围岩的加固治理。

第五步，下部台阶（腰线以下巷道）卧底、支护。 3.2 矿压观测

按设计要求安装顶板离层仪、围岩位移观测站及锚杆（索）受力检测，按时观测，及时分析数据，通过分析得出的结论从而再次进行支护优化。由矿压监测数据可知，北翼回风大巷顶板最大下沉量为74 mm，最大移近速率22 mm/d，两帮累计移近量

为65 mm，最大移近速率16 mm/d；锚杆最大受力为110 kN，为其屈服载荷的86.7%，破断载荷的59.1%，锚索最大受力为304 kN，为其破断载荷的59.6%，总体来讲，巷道表面收敛不大，锚杆（索）充分发挥主动支护作用且承载能力有富余，支护效果良好。

4 结 论

北翼回风大巷采用三台阶五步流水法施工，先施工上部及中部台阶。施工上部台阶时，采用超前管缝式锚杆对前方围岩进行预加固，开挖后立即采用锚梁网+初喷的支护方式加固破碎围岩巷道顶板，使巷道在形成的围岩锚固圈的保护下掘进，有效的保证了作业人员处于安全状态。施工中部台阶时，在锚岩支护体失稳之前，再通过锚索配合KTM3钢带梁进行补强支护，在岩体周边形成一个能维持自身稳定，且能防止周围岩体松动变形的加固拱，最终完成对破碎围岩的加固治理。待贯通后再进行下部台阶施工，采用帮角锚梁和底角锚杆的支护方式防止底板出现底鼓，不但有利于巷道围岩稳定性控制，而且提高了掘进效率，该巷道提前贯通节约1.5个月时间，永久通风系统形成，提前进入试生产阶段，为矿井创造了极大的安全及经济利益。

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(收稿日期:2019-07-06)

作者简介:朱启杰(1966—)，男，工程师，从事煤矿技术与安全管理工作，Email: 2281783231@qq.com。