“三軟”煤層全煤巷道支護技術研究

摘要：從軟岩的特性、三軟巷道圍岩的破壞機理入手，結合嵩山煤礦的實際情況，提出采用剛柔複合支護方法對巷道進行支護，即在支護體內設置柔性層和剛性層，柔性層釋放初期高應力，剛性層控製有害變形；在受力集中的頂底角采用疊加支護，使巷道整體變形耦合。經現場試驗及圍岩變形觀測03manbetx ，該支護方式能夠有效控製巷道的強烈變形，降低巷道維修成本，從而解決三軟煤層巷道支護困難的問題。

關鍵詞：三軟煤巷剛柔複合支護耦合支護

大量的實踐研究資料向我們證實了一個方麵的問題：即在礦山生產建設過程當中，巷道支護方式的選取帶給的不僅僅是巷道成型質量的優質，還給人員安全提供了有力的保障，在日趨發展的礦山建設施工中，開采岩石集中巷再側向掘進煤巷的方式，在成本支出上給礦山經濟發展拉了限閘。在煤礦開采中，全煤巷道代替原有的岩石集中巷與石門組合巷道采煤方式的趨勢愈來愈強，同時，在剔除岩巷支護形式、成本的過程中也加劇了現有全煤巷支護方式的安全承壓考驗。

一、礦區地質條件概況

嵩山煤礦位於偃龍礦區，現開采的二水平埋深400米左右。主采的二疊係山西組二1煤層為“三軟”煤層，煤層硬度係數f＜0.3，煤層結構簡單，局部含泥岩夾矸，夾矸厚0.1～0.4m。煤層以粉末狀為主，塊狀較差，平均煤厚4.2m，煤層平均傾角15°。煤層頂底板參數見表1。

頂底板名稱		岩石類別	厚度/m	岩性
頂板	老頂	中細粒 砂岩	7.58	灰色，厚層狀，成分以石英為主，含暗色岩屑，夾粉砂岩薄層，產植物化石，泥質膠結，波狀層理。
	直接頂	砂質 泥岩	18	灰～深灰色，厚層狀，成分以石英為主，含暗色岩屑，層麵富集白雲母碎片及炭質、泥質膠結水平層理。
	偽頂	炭質 泥岩	2.84	黑灰色，中厚層狀，產植物化石碎片。
底板	直接底	砂質 泥岩	4.5	灰黑色，薄～厚層狀，夾粉砂岩及細粒砂岩條帶，產植物化石，下部偶含黃鐵礦結核，波狀層理及透鏡狀層理。
	基本底	細粒 砂岩	20	深灰色，中厚層狀，平灰黑色泥質條帶，含白雲母碎片及黃鐵礦結核，泥質膠結，波狀層理發育。

表1 煤層頂底板情況表

二、原有巷道支護方式及變形03manbetx

1.支護方式

嵩山礦回采工作麵巷道原采用11#工字鋼對棚支護，頂部采用塑編網和荊笆護頂，兩幫采用荊笆背嚴背實。如圖1所示：

圖1 工字鋼支護斷麵圖示意圖

上述支護方式在現場實踐中存在的問題:

①該支護形式巷道礦山壓力顯現快，巷道在掘進50m左右就嚴重變形，需返修作業，嚴重影響工作麵回采期間的安全；

②回采工作麵巷道由於變形嚴重，不能太長，長度一般為50～80m，工作麵服務時間短，易造成礦井采掘失調；

③回采巷道礦壓顯現劇烈。

2.巷道破壞原因03manbetx

根據巷道實際情況03manbetx ，造成上述問題的原因有：

①圍岩特性影響。煤層鬆軟呈粉末狀，頂底板均為泥岩、砂質泥岩及灰質泥岩，巷道圍岩強度低，變形量大，變形速度快，巷道施工時極易出現底鼓，從而使兩幫及頂板變形加劇，鬆動範圍擴大，礦壓顯現明顯。

②上覆岩層影響。巷道埋深較大，單一的工字鋼對棚支護不能承受上覆岩層的壓力，由於岩體的流變作用，支架必然發生變形，從而造成巷道支護結構的破壞。

③碎脹作用影響。岩層中夾矸為固化程度很低的泥岩，夾矸及煤遇水變軟，發生膨脹，在上覆岩層的作用下，夾矸及煤被擠壓出，從而造成棚式支護的變形。

④支護結構與參數不合理。支架屬於剛性、被動支護形式，隻起護表作用，不能實現與圍岩的協調變形和有效調動深部圍岩的承載能力。支架腿未“穿鞋”，在巷道底板為煤層和軟岩的條件下，很容易鑽底，導致頂板下沉和支架偏轉失穩。

三、新支護方式

1.新支護方式原理分析

綜上所述，巷道破壞失穩的根本原因是圍岩應力超過了圍岩強度。為此，進行支護設計時要通過改進支護方式來保護圍岩強度。設計采用剛柔複合支護以及關鍵部位的疊加支護。剛柔複合支護中的柔性支護釋放高應力，剛性支護限製其有害變形。通過在頂角打錨索底腳打錨索，加強對頂底角“關鍵部位”的支護，使整體耦合，增加巷道整體的穩定性。

①剛柔複合支護從力學概念上講,是在支護體內設置剛性層和柔性層,在剛性層和柔性層之間預留一定量的間隙。柔性支護並不能使 “支架－圍岩”係統達到力學平衡，因此，柔性支護後圍岩必然產生一定變形，以便繼續釋放一些能量。剛性支護的目的在於促進圍岩進一步於平衡，以保證巷道使用期間的穩定性，所以剛性支護應與柔性支護留有合適的間隙。這樣,支護體具有充分的柔度和間隙以適應高應力軟岩的大變形，釋放高應力,同時又具有充分的剛度限製圍岩的有害變形。采用剛柔複合支護的方法不僅可以充分利用岩體自承能力,而且使壓力向背離采空區側移動,如圖2。

圖2 柔性支護巷道移壓示意圖

②三軟煤巷藕合支護機理，耦合支護是針對軟岩巷道圍岩塑性變形不協調部位，通過錨索及錨索使關鍵部位支護耦合而使其變形協調，從而限製圍岩產生有害的變形損傷，實現支護一體化、荷載均勻化，達到巷道穩定的目的。通過提高錨索初錨力、布置底角錨索及頂角錨索，有效地控製了圍岩變形特別是強烈的底鼓。

2.具體支護方式

①支護參數設計

U₃₆型鋼可縮性架棚支護設計：采用U₃₆型鋼，由1節棚梁2節棚腿組成，斷麵形狀為近似直牆半圓拱形。頂部U型鋼經過特殊的加工，使其呈一定的微拱形，U型鋼棚間距0.5m。

架棚與煤體之間鋪有兩層塑編網，長1200mm，寬800 mm，網格規格為30mm×30mm，網與網搭接長度不小於100 mm，每隔150 mm用塑編網帶連接牢固，每三孔連一個死結，聯結間距為100mm，嚴禁串連。釋放煤體能量的同時，防止漏煤。

背木直徑不小於50mm，兩端要穿過U型鋼中心，頂板背木間距中見中100mm，幫部中見中300mm，誤差不大於30mm；背木要垂直於支架背設，且不得鬆動（鬆幫卸壓不受此限）；兩邊岩層段可以不用背木背幫,但煤層鬆散時必須背到底。

錨索為1×7-Φ17. 8mm鋼絞線製作，長8m，托盤規格為500×500mm。每根錨索用2卷CK2350型與2卷K2350型錨固劑錨固。如圖3所示：

圖3 剛柔複合支護巷道斷麵圖

3.施工要求

①煤巷掘進應盡量采用沿底施工，架腿在底板中的埋深不少於200 mm，底板的強度足以限製架腿的下沉和位移，從而可保證支護結構的穩定。

②當煤巷無法沿底施工時,應把架腿劄角放大。柱窩周圍的煤柱將受到破壞，架腿將產生側向位移，而劄角放大後將使架腿的側向允許位移增大，由於煤體的破裂有一定的規律，側向允許位移的增大將明顯延長支架的服務期限。

③巷道掘進時，通過光麵爆破施工，盡量減輕對頂、幫煤巷岩體的破壞，為實施錨索等主動支護創造有利條件。必須在超前探梁臨時支護的情況下進行錨索支護、塑編網的鋪設等施工工序。

④側幫采用半封閉支護。推遲背幫時間，可在架棚之後1～2個月再背幫，甚至側幫中下部始終不背幫，使側幫中下部的煤體有自由垮落的空間斷釋放掉煤體受壓後產生的變形能，若再輔以鑽孔卸壓的方法，則可泄掉大部分側向壓力。

⑤柔性支護的目的是及時封閉和隔離碎煤，以防止巷道周邊懸露麵上個別碎煤掉落，同時對圍岩初期移動給以一定限製，因此柔性支護應在開巷後盡早進行。

四、現場觀測與分析

為了便於檢驗新的支護方式的可行性，選取地質條件相近的2103工作麵下順槽1^#進行實驗。

在1#巷道內每間隔10m設定一個觀測點，每天觀測，觀測內容包括：支架兩棚腿間移近量、頂梁距底板移近量、支架梁、腿搭接下縮量。從觀測結果我們發現1#段巷道頂底板、兩幫在巷道掘進之1-10天移近量迅速增大，11天以後兩幫及頂底板的移近量趨於穩定，最終移近量為204～246mm、234～312mm，如圖4所示。該圖充分反映了剛柔複合支護初期讓壓的特點，即圍岩初期變形量較大，充分利用了圍岩自身強度；後期巷道圍岩與剛性支護接觸，變形量減少。因此采用剛柔複合支護以及頂底角疊加支護控製了三軟煤層巷道圍岩變形、保持巷道圍岩穩定，改善了巷道維護狀況。

圖4 改進支護巷道頂底板移近量監測圖

五、結論

1.三軟煤層巷道圍岩塑性變形大，較難控製，可采用適當讓壓的方法，躲過高應力，同時輔助以剛性支護保證巷道工作空間安全。

2.頂角錨索，底腳錨索加固的方法使應力集中區得到了疊加支護，使巷道整體變形與運動一體化。上述支護技術有效保持三軟煤層巷道圍岩穩定。