介板沟煤矿软岩大巷变形破坏机理及控制技术研究

洪 杰

（山西华润联盛能源投资有限公司，山西省吕梁市，033000）

介板沟煤矿软岩大巷变形破坏机理及控制技术研究

洪 杰

（山西华润联盛能源投资有限公司，山西省吕梁市，033000）

为解决介板沟煤矿软岩大巷高应力、围岩自撑能力差、支护难的问题，基于煤岩层地质赋存条件以及北轨道大巷与北运输大巷的维护现状与变形破坏特征，总结分析了大巷的破坏原因，针对支护的弱结构以及不同地质条件下的巷道进行了研究与改革，提出了相应的控制技术，优化之后的支护方案经实践证明具有良好的技术经济效益。

软岩巷道 变形破坏 控制技术 壁后充填 锚杆支护 注浆加固

1 工程背景

研究并认识软岩和软岩工程复杂性的目的，在于寻找和利用它的规律性，以便经济有效地解决软岩巷道工程与技术问题。

山西华润联盛介板沟煤业有限公司位于石楼县罗村镇，由山西石楼介板沟煤业有限公司和山西石楼麦塌煤业有限公司两矿兼并重组整合组成。矿井井田面积3.7183km2，井田内地形东高西低，东部山上海拔最高1591m，北部沟底海拔最低1378.5m，开采标高为1150～1407m，设计生产能力为0.6Mt／a。井田内可采煤层为山西组的4＃煤层、太原组的10＃及11＃煤层。其中，4＃煤层位于山西组中下部，煤厚0～2.40m，平均1.52m，不含夹矸。其顶板岩性为泥岩，局部夹薄层炭质泥岩，底板岩性为砂质泥岩，局部夹薄层的粉砂岩。目前，矿井北运输大巷和轨道大巷布置在4＃煤层底板岩层中，巷道均为拱形断面，断面规格为净宽3800mm、净高3000mm，采用U型钢金属支架支护，棚距800mm。由于巷道围岩性质本身软弱，完整性差，且巷道围岩遇水后会出现泥化现象，巷道在掘进后较短时间内就会发生较大的变形，尤其在一些构造带附近表现得更为显著，变形表现为严重的底臌和顶板下沉，巷宽由原来的3.8m普遍变形到现在的3.2～3.4m，高度由原来的3.0m变形到现在的2.4～2.6m，局部底臌量达到了600mm，甚至发生顶板垮冒，造成巷道维修工程量大，维护困难，影响矿井正常的生产秩序。

2 巷道支护难点及破坏机理分析

2.1 巷道维护特点

（1）巷道埋深小，只有100m左右。

（2）围岩自承能力差。巷道围岩为泥岩、砂质泥岩，厚约8m。巷道围岩性质本身软弱，且裂隙、层理发育，强度低，完整性差，巷道掘进扰动期间，围岩将更加破碎，松动破坏范围广，巷道冒顶概率大。

（3）巷道围岩遇水后会出现泥化现象，掘进后较短时间内就会发生较大的变形，尤其在构造带附近表现更为显著，变形表现为严重的底臌和两帮移近。

（4）较大的松动压力不利于巷道围岩的稳定。对于浅埋的松软、破碎岩层，巷道开挖后，顶部岩体失去稳定性，产生坍塌，并形成自然冒落拱。随之，巷道两帮由于应力集中而逐渐破坏，造成顶部坍塌进一步扩大并形成塌落拱。大范围塌落拱内的松散岩体将造成较大的松动压力，对巷道围岩稳定控制极为不利。

（5）构造应力的影响。大巷位于断层破碎带附近，受断层影响，较大的水平应力和不利的水平应力方向对巷道破碎软弱围岩控制极为不利。

2.2 巷道破坏原因分析

根据目前巷道的维护状况，对北运输大巷与北轨道大巷的破坏原因进行了分析，总结出巷道原有U型钢支架支护存在的主要问题如下：

（1）支架不具备高阻可缩性能，表现为围岩大幅度变形、支架静断面缩小情况下，支架构件失效。一方面是由于支架节与节的接头（限位卡缆）的型式与材质强度制约了U型钢支架低阻滑移的特性，另一方面则是忽略了支架配件（背板）的作用效果。

（2）巷道缺少有效控制底臌的措施，表现为底臌严重，频繁卧底，支架棚腿内移，支架支护阻力下降。这是由于原U型钢支架仅是对顶板和帮部进行了支护，而底板却处于无支护状态，围岩变形效果会通过内挤作用而展现出不同程度的底臌，同时频繁卧底的扰动会进一步松动底角岩层，因而造成棚腿不断内移，支架的承载能力及稳定性不断下降。

（3）支架－围岩相互作用关系差，表现为支架支撑围岩后，不平整的接触面与巷道底臌的双重作用，使得支架与围岩间大多是点接触，支架受力不均而易失稳。这是由于软岩巷道围岩强度低，巷道周边岩体受应力集中影响呈现不均匀变形，表面的凹凸不平造成架后空间大小不等。

（4）支架是由多节U型钢利用卡缆连接的承载体，本身结构决定支架的不稳定性，在支架承载围岩体时，支架的受力位态使失稳的可能性增大，易出现结构性失稳，表现在帮部变形与底臌严重，棚腿内移，支架承载能力急剧下降，整体性与纵向稳定性也随之降低。这是由于原支架的承载能力与抗侧压能力均较低，同时架间拉杆的规格与布设也不合理的缘故。

（5）支架承受集中载荷，支架的极限承载能力低，致使支架以及配件大量失效甚至损坏，并再次引起围岩的强烈变形。

3 巷道新型支护方案的确定

3.1 U型钢支架壁后充填技术

根据介板沟矿软岩大巷维护特点，通过对软岩大巷变形破坏特征及破坏原因的初步分析，根据大巷断面要求，将大巷改进采用拱形断面，巷道设计掘进宽度4400mm，掘进高度3300mm，具体支护方案如下：

（1）巷道基本支护采用U29半圆拱直腿可缩性支架，巷道及支架断面参数如图1所示。

图1 巷道及支架断面参数

（2）采用双槽夹板上、下限位卡缆，卡缆需经热处理，提高其刚度与支架的整架性能，要求拱形支架的每个连接处用2副双槽夹板限位卡缆，卡缆螺母预紧扭矩不低于300N·m。

（3）柱腿插入底板深度300mm，并在柱腿底部焊上矩形或方形钢板底座以降低底板比压，防止柱腿过多插入底板，避免支架阻力过低。

（4）为了防止围岩冒落，提高U型钢支护的护表性能，并使支架受载均匀，避免承受集中载荷，增加承载能力，支架壁后配合使用高强钢筋网，在钢筋网背板上铺设一层塑料编织布为壁后充填做准备。

（5）每一支架间布置1～2根拉杆，拉杆沿巷道纵向在架与架间布置，将两架支架连结起来。采用拉杆的目的是为了加强支架的稳定性，将支架从纵向连成整体，防止支架歪斜，提高支架的承载能力。

（6）支架壁后实施充填注浆，设计充填体厚度126～158mm。充填材料可采用矸石粉、砂子、石膏、粉煤灰等材料，配合使用适量的普通硅酸盐水泥和添加剂，具体材料配比根据充填材料和充填设备而定，以保证充填料浆输送性能、凝结时间，以及凝固后形成充填体的强度、可缩性等参数要求。

3.2 锚—架联合支护技术

图2 加强锚索布置图

在围岩较松散破碎段巷道，采用锚索—支架联合支护技术，设计大巷采用拱形断面，巷道设计掘进宽度4200mm，掘进高度3200mm，具体支护方案如下：

（1）巷道及支架断面各主要参数同3.1节（1）～（5）所述。

（2）及时喷浆，防止围岩风化破坏，保持较高的围岩整体强度，喷层厚度50mm。

（3）在巷道帮部和拱部采用小孔径预应力短锚索强化支护。锚索选用直径17.8mm的1860钢铰线，长6.3m，每孔采用4节Z2350中速树脂药卷加长锚固，锚索排距为1.6m。拱顶单根锚索采用250 mm×250mm×20mm的平钢板加150mm×150 mm×10mm的小托板配合使用，帮部每2根锚索采用18号槽钢加工的锚索托梁连接，锚索托梁长度为2400mm，孔间距1600mm，每孔锚索配150mm×150mm×10mm小托板，加强锚索预应力达到80 kN即可。具体布置参数如图2所示。

（4）二次喷浆：喷层厚度要与U型钢外缘凸棱齐平。

3.3 巷道锚杆支护技术

当巷道处于断层影响带之外，围岩相对较完整时，可采用锚杆支护，支护方案如图3所示。

图3 锚杆支护初步技术方案

（1）巷道断面。断面为直墙半圆拱形，巷道设计掘进宽度4000mm，设计掘进高度3200mm，墙高1200mm。

（2）锚杆的选择。采用左旋螺纹高性能的杆体、高强度鼓形托板（150mm×150mm×10mm）的成套锚杆进行支护。锚杆规格为M24－ø22mm×2400mm。

（3）锚杆的锚固。采用2卷规格为Z2350的树脂药卷加长锚固。

（4）锚杆间排距。锚杆间排距为800mm×800mm，底角锚杆距巷道底板340mm，角度为30°。其余锚杆布置均垂直岩壁，紧贴岩面。锚杆预紧力应在30kN以上。

（5）锚索的使用。锚索排置于两排锚杆中间，全断面布置3根锚索，拱顶锚索布置于中间，两肩角锚索与巷道半圆拱中心呈45°布置，排距为1.6 m，张拉力不低于100kN。锚索钢绞线规格为ø17.8mm×6.3m，钻孔深度为6.0m，每孔采用4节Z2350中速树脂药卷加长锚固，以保证锚固效果。锚索托板采用250mm×250mm×20mm的平钢板加150mm×150mm×10mm的小托板配合使用。

（6）钢筋网的使用。钢筋网用ø6mm钢筋焊接，宽度应在1.0m左右，网孔100mm×100 mm。

（7）钢筋梯的使用。采用钢筋梯将锚杆连成整体，每个断面使用3条钢筋梯，钢筋梯用ø16mm圆钢焊接。

3.4 围岩注浆加固技术

在围岩含泥量少，能够保证成孔质量时，也可考虑采用注浆加固技术代替壁后充填技术。具体步骤为：架设好支架，并铺设钢筋网，在支架间布置注浆孔，注浆孔深3.0m，注浆锚杆长度2.5m，间排距为1.4m×1.2m，注浆锚杆布置如图4所示。注浆锚杆采用直径0.5英寸中空螺纹钢管加工，孔口段加工螺纹，自螺纹向里600mm处开始每间隔250mm加工一对ø8mm出浆孔，使用环状快硬水泥药卷进行锚固，锚固长度500mm。将注浆锚杆丝扣保护好后，对巷道表面喷射混凝土封闭围岩。注浆材料优先选用化学浆液，或选用高水速凝材料，选用高水速凝材料时水灰比为1.2∶1，注浆压力1.5～2.0MPa。考虑到运输大巷围岩十分松散破碎，应分多次注浆，逐步注实。

图4 注浆锚杆布置图

松软岩层的围岩强度低，具有遇水失稳甚至崩解及泥化等各种特性，而巷道底板更易受到水的侵蚀和影响，底臌量通常超过顶底板移近量的三分之二。现场卧底发现，大巷底板岩体十分松散破碎，底板松动圈发育，松动范围大，因此加强底板管理是提高软岩大巷稳定性的关键。

实践证明，底板反拱是在松软岩体中控制底臌的有效措施。混凝土反拱是一种适用于永久性巷道的底板支护措施。在巷道底板上先按预定深度和形状挖出坑槽，再浇筑混凝土使之成为反拱。结合介板沟煤矿软岩大巷的实际情况，对于局部底臌严重段巷道，可采用底板反拱措施，底板反拱初步施工方案如图5所示。

图5 底板反拱初步施工方案

4 现场实施效果

经改进优化之后的支护方案分别在介板沟煤矿矿井北运输大巷和轨道大巷返修段针对不同地质条件实施后，经过2个月的矿压观测分析发现，巷道顶板和两帮的变形量均得到有效控制，尤其是底臌部分，最大变形量分别仅为75mm和80mm。实际观测表明巷道围岩稳定性控制效果较好，底板变形监测曲线见图6。

图6 底臌量监测曲线

5 结语

通过对介板沟煤矿北运输大巷和北轨道大巷变形破坏因素的分析和破坏机理的研究，得出该矿存在原支架与围岩的互相作用关系差、支架结构不稳定、承受载荷集中和承载能力低等缺陷，对原有支护技术进行了革新。针对不同的支护弱结构和地质条件，分别提出了相应的支护方案：

（1）根据软岩大巷的维护特点，采用U型钢支架壁后充填技术；

（2）在围岩较松散破碎段巷道，采用锚—架联合支护技术；

（3）当巷道处于断层影响带之外，围岩相对较完整时，可采用锚杆支护技术；

（4）在围岩含泥量少，能够 保证成孔质量时，也可考虑采用注浆加固技术代替壁后充填技术。

从工程应用的效果来看，有效控制了巷道围岩的变形，对底臌治理效果尤为明显。今后可加大对上述不同支护方案的理论与试验研究，在不同条件下灵活改变支护方案，可取得显著的技术经济效果。

［1］ 李志红.谢一矿深井软岩巷道围岩控制与快速掘进技术研究与应用［D］.徐州：中国矿业大学，2009

［2］ 李明远，王连国，陆维汉等.软岩巷道锚注支护理论与实践［M］.北京：煤炭工业出版社，2001

［3］ 史焕发，王守海.软岩深部联合支护方式研究［J］.中国煤炭，2010（7）

［4］ 尹光志，王登科，张东明等.高应力软岩下矿井巷道支护［J］.重庆大学学报（自然科学版），2007（10）

［5］ 杨生彬，何满潮，王晓义等.孔庄矿深部软岩大巷底臌机理及控制对策研究［J］.中国矿业，2007（4）

［6］ 刘玉德，闫守峰，赵军伟等.破碎带软岩巷道围岩变形规律及联合支护研究［J］.中国煤炭，2011（3）

［7］ 王立毅，刘晋琦.李雅庄煤矿软岩大巷支护改革［J］.山西煤炭，2003（4）

［8］ 李建营，宋勤发等.联合支护技术在动压影响下的软岩大巷中的应用［J］.煤矿支护，2008（1）

［9］ 段斌庚，邱晓光.锚网梯索棚联合支护在软岩大巷中的应用［J］.江西煤炭科技，2007（2）

［10］ 王其洲，谢文兵，祖梦柯.高应力软岩巷道围岩控制技术研究［J］.中国煤炭，2011（10）

［11］ 张志勇，李江峰，王龙龙.新桥矿软岩大巷变形破坏机理及修复技术研究［J］.中州煤炭，2011（2）

［12］ 李迎富，华心祝.沿空留巷围岩变形破坏影响因素分析及其稳定性控制［J］.矿业安全与环保，2010（6）

Study on failure mechanism and control technique of soft rock roadway in Jieban＇gou Coal Mine

Hong Jie
（Shanxi Huarun Liansheng Resources Energy Investment Company Ltd.，Lvliang，Shanxi 033000，China）

In order to solve problems such as high stress of soft rock roadway，weak self－supporting of surrounding rock and difficulty in supporting，the reasons for roadway broken were analyzed on the basis of geological conditions of coal and rock strata as well as maintenance status and failure characteristics of north railway and haulage roadway.Additionally，the corresponding control techniques were proposed for the weak structure of roadway under different geological conditions，and the optimized supporting scheme has brought favorable economic benefit after the application.

soft rock，deformation failure，control technique，filling wall back，bolt supporting，grouting reinforcement

TD353

A

洪杰（1963－），男，江苏徐州人，1990年毕业于同济大学工程测量专业，现任山西华润联盛能源投资公司技术总监。

（责任编辑 张毅玲）