复杂煤层采空区巷道掘进支护技术研究

复杂煤层通常具有煤厚变化大、地质构造复杂、瓦斯含量高等特点，而采空区的存在进一步改变了原岩应力场分布，导致巷道围岩稳定性差，极易发生顶板垮落、片帮等安全事故，严重制约矿井的安全生产与高效掘进。

一、复杂煤层采空区巷道掘进支护技术分析

1.1 锚杆锚索支护技术

锚杆锚索支护基于悬吊理论与组合梁原理，通过高强度螺纹钢锚杆、注浆锚杆等构件，将破碎围岩与深部稳定岩体有效连接，显著提升围岩自承能力。在复杂煤层采空区，由于煤岩体破碎、应力分布不均，需针对性选择支护参数：对于埋深较大、顶板压力集中区域，采用直径22mm 、长度 2.4m 的高强度左旋无纵肋螺纹钢锚杆，配合加长锚固工艺，使锚固长度达 1.6m 以上；针对节理发育的帮部围岩，布置全长锚固锚杆，形成“围岩 - 锚杆”整体承载结构。同时，引入预应力锚索强化支护体系，锚索采用直径 17.8mm 的低松弛钢绞线，预紧力不低于 150kN，通过深达 6-8m 的锚固深度，有效抑制顶板离层与帮部鼓出。

1.2 注浆加固技术

注浆加固技术通过渗透、压密与劈裂等作用，利用浆液填充围岩裂隙、胶结松散岩体，重塑岩体力学性能。在复杂煤层采空区，常选用水泥 - 水玻璃双液浆作为主注浆材料，其初凝时间可控（10-30s），终凝强度达 15-20MPa ，适用于破碎煤岩体快速加固。施工工艺采用“超前预注 + 壁后补注”双阶段控制：掘进前，沿巷道轮廓线外 1.5m 范围布置超前注浆孔，采用后退式分段注浆，压力控制在 2-3MPa ，形成厚度不小于 1m 的加固圈；支护完成后，通过预埋注浆管对壁后空隙进行二次注浆，注浆压力 1-1.5MPa ，确保支护结构与围岩密贴。在豫西某矿应用实例中，注浆加固使巷道围岩弹性模量提升 120% ，黏聚力增加85% ，有效降低了掘进期间的片帮冒顶风险，支护成本降低 18% 。

1.3U 型钢支架支护技术

U 型钢支架采用 18U、29U、36U 等型号热轧型钢，通过搭接扣环实现可缩性，其承载能力达 300-500kN/m ，能有效适应围岩大变形。在复杂煤层采空区，U 型钢支架与主动支护技术联合应用形成“刚柔并济”支护体系：首先，采用锚杆锚索对围岩进行主动加固，构建初始承载结构；随后架设U 型钢支架，支架间距控制在 0.8-1.2m ，通过卡缆施加预紧力，确保支架与围岩紧密接触。

二、复杂煤层采空区巷道掘进面临的挑战

2.1 地质条件复杂

复杂煤层地质构造呈现高度非均质性，除常见的煤层厚度变化（ 0.3-8m 波动）、倾角变异（5° -65°不等）及夹矸层发育外，还存在煤岩互层、断层破碎带等特殊地质现象。以山西某矿为例，在 15^∘ 倾角煤层掘进过程中，因顶板泥岩夹层遇水软化，导致巷道顶部下沉速率达 20mm/d ；而在陕西某矿含石英砂岩夹矸的煤层中，掘进爆破引发的局部岩块崩落事故发生率较普通煤层提升 37% 。这些差异显著的地质特征，不仅加剧了围岩力学性能的离散性，还致使应力分布呈现复杂的三维非对称状态，给支护参数设计带来极大挑战。

2.2 采空区影响

采空区形成后，其周边应力场重构导致应力集中系数可达原岩应力的 2-5 倍，且在采空区边界形成显著的应力增高带。根据数值模拟分析，在距离采空区 30m 范围内掘进时，巷道顶板下沉量较正常区域增加120%-150% 。更值得关注的是，采空区积水会通过孔隙渗透和裂隙扩散软化煤岩体，实测数据显示，含水率每增加 1% ，煤体黏聚力下降 8% -12% ；而瓦斯积聚问题更为严峻，某矿采空区瓦斯浓度最高达 18% ，在掘进扰动下易引发瓦斯突出，其潜在能量释放相当于1.2tTNT 炸药。

2.3 传统支护技术的局限性

常规锚杆支护在破碎煤岩体中难以形成有效锚固结构，当围岩节理间距小于 0.3m 时，锚杆握裹力下降 60% 以上，某矿实测数据显示锚杆失效概率高达 45% 。架棚支护体系受制于刚性结构特性，在变形量超过 150mm 时，工字钢棚架出现明显扭曲变形；而 U 型钢支架虽具备一定可缩性，但在非对称变形作用下，搭接部位易产生应力集中，导致卡缆失效。更重要的是，传统支护技术多采用静态设计理念，无法适应复杂煤层采空区巷道变形的动态演化过程，致使支护成本居高不下，返修率普遍超过 30% 。

三、复杂煤层采空区巷道掘进支护技术优化策略

3.1 多技术协同支护

针对复杂煤层采空区巷道受采动应力叠加、围岩破碎等难题，需构建分层分级的协同支护体系。在巷道顶板破碎严重区域，采用 " 超前注浆加固 + 锚杆锚索支护 +U 型钢支架" 联合支护模式：首先利用水泥-水玻璃双液浆对顶板进行超前预注浆，通过渗透、劈裂作用提高破碎岩体整体性；待浆液凝固后，按梅花形布置高强度锚杆锚索，形成悬吊加固结构；最后架设可缩性U 型钢支架，通过卡缆连接形成刚性承压拱。在帮部稳定性差的区域，实施 " 注浆加固 + 全长锚固锚杆 + 钢筋网 " 组合支护，先采用高压注浆封堵裂隙，再通过全长锚固锚杆将破碎煤岩体与深部稳定岩层锚固，外层铺设钢筋网形成柔性防护层，有效抑制片帮现象。此外，针对底板软弱区域，可增设底角锚杆与注浆加固措施，控制底鼓变形。

3.2 动态监测与支护参数调整

构建 " 空天地 " 一体化智能监测系统，在巷道掘进过程中，利用全站仪进行地表沉降监测，采用高精度位移计对巷道表面收敛、顶板离层进行实时监测，通过应力传感器获取锚杆（索）受力、围岩压力等数据。建立基于大数据分析的预警模型，当监测数据达到阈值时，自动触发预警机制。根据监测结果，动态调整支护参数：当顶板下沉速率超过5mm/d 时，将锚杆长度由 2.0m 增加至 2.2m ，锚索长度由 6.0m 增加至7.0m ，间排距由 1.0m×1.0m 加密至 0.8m×0.8m ；若 U 型钢支架应力超过设计值 80% ，则将支架间距由 0.8m 缩小至 0.6m 。

3.3 综掘

推行综掘机高效掘进工艺，采用 EBZ-260 型综掘机进行截割作业，该机型截割功率达 260kW ，截割断面可达 20m ²，配合转载机、带式输送机实现连续运输，将循环进尺提升至 2.0-2.5m 。截割过程中，通过综掘机自带的智能定位系统控制截割轨迹，确保断面尺寸误差不超过±100mm ，减少超挖和欠挖现象。在支护施工环节，建立质量管控标准化流程：锚杆安装采用专用气动锚杆钻机，确保安装角度误差不超过 5^∘ ，预紧力达到设计值 150N⋅m 以上；U型钢支架架设时，严格控制支架间距、垂直度和搭接长度，卡缆扭矩不低于 500N⋅m ；注浆加固采用定量注浆设备，控制浆液水灰比为1:1-1.2:1，注浆压力 1.5-2.5MPa ，通过埋设的注浆检测管验证加固效果，确保支护施工质量满足设计要求。

结语：

复杂煤层采空区巷道掘进支护技术是保障煤炭安全高效开采的关键。通过对复杂煤层采空区巷道掘进面临挑战的分析，以及锚杆锚索支护、注浆加固、U 型钢支架等支护技术的研究和优化策略的提出，形成了一套适用于复杂环境的巷道支护解决方案。优化后的支护技术能够有效控制巷道围岩变形，提高巷道稳定性。

参考文献：

[1] 苗生栋 . 深井软岩巷道多重扰动效应分析与工程应用 [D]. 安徽理工大学 ,2019,

[2] 杨红运 . 特定地质条件沿空留巷应用技术及理论研究 [D]. 重庆大学 ,2016,