软岩地层回采巷道合理支护技术探讨

朱 涛，宋 敏，朱冰冰，马立强

(1.华润煤业控股有限公司工程技术部，北京 100028；2.山东水利职业学院，山东日照 276826；3.济宁鹿洼煤矿，山东鱼台 272350；4.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221008)

1 矿井概况

华润煤业五间房西一煤矿位于内蒙古锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗境内。井田东西宽2.6～9.0km，南北宽约13.5km，面积约87.2km2。井田整体构造为单斜构造，走向NW，倾向NE，倾角2.5°。井田内共解释断层102 条，均为高角度的张性正断层。井田内可采煤层6 层，煤类为褐煤和长焰煤，主采煤层赋存深度在98.0～702.92m，煤层厚度平均8.0m，地质储量1663.14Mt，可采储量832.88Mt，设计生产能力8.00Mt/a，矿井服务年限74.3a。开拓方式为斜井开拓，主、副和回风斜井井筒均为半圆拱断面。全井田共布置七组大巷，每组大巷布置三条大巷。矿井设计井下布置2个240m长的回采工作面，年推进度为1200m。采用综采放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板。

2 工程地质与主要回采巷道支护结构形式

本矿区工程地质特点，矿区主要含煤地层位于白垩系巴彦花组，煤层顶底板主要为胶结程度极差的泥岩、粉沙岩、砂岩等，且存在严重的风化、泥化和崩解现象，属于典型的软岩。

各煤层的顶底板抗压强度低，除3-1煤层顶板为软弱—半坚硬岩类外，其余均为软弱岩类。围岩的自承载能力极低，无法实施锚固与注浆加固等有效支护手段[1]，对矿井巷道与硐室的掘进与支护及工作面顶板控制造成极大影响。

3 回采巷道围岩与支护结构稳定状况监测与分析

3.1围岩物理力学性能分析

通过现场钻取或掏撬各煤层顶、底板岩层岩石试样，所测试样物理力学参数如表1所示。

表1 各煤层顶、底板岩层岩石物理力学参数

从表1中可以得出各煤层顶、底板岩层岩石试样强度较低，且松散性较大，遇水后7小时内全部泥化、崩解。

3.2 回采巷道围岩松动状态的地质雷达探测与分析

巷道围岩与支护结构承载性能的监测工作是巷道施工的一个重要组成部分，具有不可或缺的重要作用[1-2]。为充分了解巷道压力和围岩破裂情况，需对巷道围岩的松动圈进行测试。测试工作在开巷一段时间后进行，一般中小松动圈的形成需时7～15d，大松动圈的形成需时1～3个月[3]。五间房煤矿实验巷道松动圈测试工作是采用瑞典MALA公司生产的RAMAC探地雷达来进行，其可实现连续全断面测量和沿巷道走向方向的测量。探测方法是在1302回风顺槽的顶板、底板和两帮进行地质雷达探测。雷达测线布置是沿着巷道轴线，采用轮测法，探测深度为5.0m，每个断面布置4条测线。测试时，每隔30～50m设置一个测试断面，每条巷道布置5个测试断面，每个测试断面沿断面布置4条测线。另外，巷道走向分别沿顶板、底板和两帮也布置4条测线。

地质雷达探测结果显示左帮围岩破碎深度2.0～3.3m；顶板围岩破碎深度3.0m左右；右帮围岩破碎深度2.5m左右；底板围岩较完整，呈层状特征。

4 回采巷道断面形状与支护结构形式的选择

4.1 回采巷道断面形状方案与选择

回采巷道断面形状的选择主要取决于以下三个方面的因素：所穿过的围岩的性质、地压大小和来压方向；用途与服务年限的长短；支护形式、支架材料与结构、巷道断面利用率，施工难度及费用等[4]。

对于服务年限较长的基本巷道，需要保证围岩的长期稳定性和在服务期间尽量不用维修，因此一般采用拱形巷道。 当围岩松软、矿井深处或出于断层破碎带是可采用圆形或马蹄形巷道。围岩坚硬时也可用梯形、矩形巷道。服务年限短或临时性的巷道常采用梯形或矩形巷道[5]。

本矿地质条件较差、支护难度大，为保证正常使用时的安全性要求，需选择拱形断面形式。 在承载性能上半圆拱形最好，三心拱形较差；从断面使用率考虑，三心拱形利用率最高，半圆拱最低；从施工难易程度考虑，依次为半圆拱形、切圆拱形、三心拱形。采用矩形断面时要求满足净断面5.0m×3.0m。但考虑到3-3煤层及顶底板岩层的物理力学特性极其软弱，采用常规矩形断面时，在采用锚网支护的同时无法及时实施锚索支护，从而难以维持巷道顶板的基本稳定。通过以上分析选择切圆拱形，此断面形状既保证了较高的承载能力和断面利用率，也比较方便施工。

4.2 回采巷道断面形状与支护结构形式的建议

根据五间房西一矿3-3煤层及底板岩层特性，需将回采巷道全部布置在煤层中，且巷道底板留1.0 m厚以上的煤层，这样根据煤层厚度的不同，可以采用不同的支护体系：

1)当煤层厚度达到7.0m以上时，可以采用以锚网为主的联合支护结构。

2)当煤层厚度在4.0～7.0 m时，可采用锚网与型钢支架相结合的联合支护结构。

3)当煤层厚度小于4.0 m时，则采用以型钢支架与喷网相结合的联合支护结构。

5 煤层7.0 m厚以上条件下回采巷道支护参数设计

初次支护结构形式采用及时进行锚网支护，并采用型钢支架加强支护，支架采用16#工字钢制作，排距1.4m。锚网支护时选用高强螺纹钢锚杆，锚杆规格为Ф20mm×2400mm，锚杆的间排距为700mm×700mm，如图1所示。

图1 回采巷道初次支护结构图

二次锚注时，注浆时采用单液水泥-水玻璃浆液，水灰比控制在0.8～1.0，水玻璃的掺量为水泥用量的3%～5%，浆液固结体强度不低于20MPa，注浆压力控制在2.0MPa以内。

6 复合支护结构与参数设计的数值模拟优化分析

6.1 锚杆长度作用规律

分别对锚杆长度为2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m等5种情况进行了数值模拟，模拟结果见表2。

表2 不同锚杆长度支护条件下最大水平/竖直位移表

6.2 锚杆间排距作用规律

分别对锚杆间排距为500mm×500mm、600mm×600mm、700mm×700mm、800mm×800mm、900mm×900mm、1000mm×1000mm等6种情况进行了模拟，模拟结果见表3。

表3 不同锚杆间排距条件下最大水平/竖直位移表

6.3 喷网层和破碎围岩注浆加固作用分析

通过对喷网层支护和不支护两种情形进行了对比模拟分析。使得围岩的最大变形量从213.5mm降到139.6mm，两帮的变形情况也有所改善，但是不如顶板处明显，只从216.6mm降到194.5mm。

采用注浆加固后最大竖直变形量从213.5mm降为161mm，最大水平位移从216.6mm降为154.9mm。

6.4 复合支护结构和参数的优化

通过对复合支护和单个支护的模拟，复合支护的效果明显好于单个支护的作用，围岩控制效果也更明显，最大竖直位移由213.5mm降为79.2mm，最大水平位移由216.6mm降为77.4mm，并且发生比较大的变形的范围也明显变小。

7 回采巷道合理支护结构形式的建议

根据以上分析，给出不同埋深条件下开拓巷道合理支护结构形式的建议如下：

1)煤层厚度>7.0m：建议采用以锚网为主的联合支护。 初次支护采用锚网喷+型钢支架支护。锚杆采用规格为Ф20mm ×2400mm高性能螺纹钢锚杆，间排距700mm×700mm，并配有钢筋网和钢筋托梁。二次支护采用全断面注浆加固。采用单液水泥-水玻璃浆液，水灰比在0.8～1.0左右，水玻璃为水泥用量的3%～5%。浆液结石率不低于92%，浆液固结体强度不低于20MPa，注浆压力控制在2.0MPa以内。

(2)煤层厚度4.0～7.0m：建议采用锚网与型钢支架相结合的联合支护。锚杆采用规格为Ф20mm×2400mm高性能螺纹钢锚杆，间排距700mm×700mm，并配有钢筋网和钢筋托梁。型钢支架由20#槽钢制作，排距1.4 m。

(3)煤层厚度< 4.0m：建议采用型钢支架+喷网支护。型钢支架采用U29型钢支架，排距700mm，喷射混凝土厚度100mm，铺设钢筋网。

[1] 高广远,黄尊英. 内蒙五间房一矿软岩井巷施工技术探讨[J].中国煤炭，2011,20(7):103-104.

[2] 秦昊,茅献彪,徐金海.软弱顶板煤巷围岩变形破坏特征数值分析[J].采矿与安全工程学报,2006,23(30): 289-292.

[3] 李树清,王卫军,潘长良,等.加固底板对深部软岩巷道两帮稳定性影响的数值分析[J].煤炭学报,2007,32(2):123-126.

[4] 康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践[J].岩石力学与工程学报,2005,24(21):3959-3964.

[5] 贺永年,韩立军,邵鹏,等.深部巷道稳定的若干岩石力学问题[J].中国矿业大学学报,2006,35(3):288-295.