三软煤层巷道支护方式的优化设计研究

谷宏江

摘要：近年来，随着经济全球化发展趋势不断加剧，煤矿业在我国国民经济支柱产业中的地位越来越重要，对于推动我国社会主义现代化建设具有重要影响。在煤矿开采过程中，巷道支护方式的合理选择，与煤矿的开采量和开采人员的生命安全有着直接联系。本文就三软煤层巷道的支护原理进行概述，对常用的三种支护方式进行分析，提出三软煤层巷道支护方式的优化设计，以不断提高企业经济效益。

关键词：三软煤层巷道 支护技术 优化设计 锚网支护

现代化建设中，三软煤层巷道支护是我国煤矿开采向深部延伸和回采时，急需解决的支护难题，因此，必须根据实际需求选择最合适的方式，以保证巷道的稳定，防止安全事故发生。

1 三软煤层巷道的支护原理

根据实际开采情况来看，煤层巷道在掘进和回采期间的支护是否稳定，与巷道围岩的强度、支护方式等有紧密联系，由于我国30%以上的煤层围岩是软岩，因此，必须根据实际生产情况和开采要求，选择最经济、最可靠的三软煤层巷道支护方式，以有效提高支护技术水平。一般情况下，三软煤层巷道围岩破坏具有以下几个特点：时间效应明显、初期变形速率大、环境感知敏感和对应力扰动，所以在软岩的最大塑性承载能力下，进行巷道支护，可以取得最好支护效果。根据相关调查和研究显示，软岩巷道的破坏过程从力学角度分析，可以看作是渐进力学过程，在煤炭开采过程中，破坏是从一个或者几个关键部位开始的，一般发生在围岩应力集中和围岩体强度较低的位置。

2 常用的三种支护方式分析

锚网支护主要包括锚杆支护、喷射混凝土支护、锚杆与喷射混凝土支护和锚网喷支护四种形式，其中，锚梁网支护和工字钢棚支护的实际应用较多，具有机械化程度高、施工效率高和成本较低等特点，在化学腐蚀性较强、水源丰富、应力要求高和跨度大的地段比较适用，尤其是地压较大和不均匀的区域，可采用钢筋混凝土进行支护。支架支护根据材料选用情况，可分为木支架、装配式混凝土支架和金属支架三种；根据结构形式，可以分为可伸缩性支护和刚性支护；按照巷道断面情况，可分为拱形支架和梯形支架，一般适用于巷道围岩非常不稳定或使用时间不长的情况下，具有成本较低、应用方便等特点。联合支护是以锚喷支护为主的支护方式，在地应力较大时使用，可以提高支护的稳定性，综合性较强，是未来巷道支护技术研究和发展的方向。

3 三软煤层巷道支护方式的优化设计研究

3.1 联合支护优化设计

3.1.1 选择巷道断面。结合煤矿巷道支护实际情况，采用半圆拱断面施工时，巷道净断面宽3.8m、高4.0m。这样的设计不仅可以支护锚网，还能为后期预留一定的孔隙，在围岩变形的情况下将能量释放。

3.1.2 设计锚杆参数

①锚杆形式与规格：杆体是20#左旋无纵筋螺纹钢，长为2400mm。锚杆间排距为800×800mm，锚索间排距为1600×1600mm。锚固方式：利用树脂锚固剂进行锚固。钢筋托梁：利用Φ14圆钢筋焊接成长4400mm、宽80mm进行托梁。锚杆角度：在进行锚杆安装过程中，安装位置需要与岩层面垂直，并保证角度不小于75°。锚网参数：采用冷拔钢筋焊接网片，其网格规格为100mm*100mm。

②施工锚杆。在设计好的位置进行锚杆施工，包括锚杆钻孔、钻孔注浆和销杆制作及安装等，并且钻孔需要安装好设计长度和角度才能进行施工。

③绑扎钢筋网和铺设钢筋托梁。根据设计好的路线在煤、岩壁上铺设钢筋网，绑扎完毕后再安装钢筋拖梁。

④锚杆紧固和喷射混凝土。待钢筋网和拖梁达到施工要求以后，对锚杆进行预应力紧固，紧固达到规定设计后进行喷射混凝土。

3.1.3 U钢棚支护设计

联合支护选用经过特殊处理的29#U钢，拱形支架承载顶压力较大，具有一定的收缩性，在大变形巷道和动压影响巷道中得到了广泛的推广与应用。由于拱形支架所承受的侧压力较弱，一旦出现稍微较大的侧压力，可能会出现崩腿、尖顶等现象，最终导致工程支护返工次数增加，因此在棚腿两侧使用柔性材料充填，采用让压支护技术，缓解侧压对巷道支护的变形量，达到长久稳固支护的目的。

■

图1 U型钢棚支护

①根据中线及设计棚距大小找出柱窝位置，然后按中腰线把柱窝深度挖够。

②在柱腿上画出腰线所在位置，将立柱放入柱窝内，使柱上腰线和帮上腰线一致，并用拉杆固定立柱以免倾斜，采用柔性材料来进行填充。在巷道支护中，喷锚支护属于柔性薄性支护，锚喷支护的密贴性、可分性和柔性，大大改善了自身的受力状态。在洞室开挖后，需立即喷射一层较薄的砼加固岩体，防止巷道局部受到破坏，以提高整个巷道的稳定性。

③在弧形顶梁上画出中线位置，把顶梁架到立柱上，弧形顶梁的两端插入和搭接在柱腿的弯曲部位，两腿的搭接长度一般为400mm左右，该处用两个卡箍固定（每个卡箍包括一个U型螺杆和一块U型垫板，四个螺母），保证顶梁上中线记号与事先拉好的中线在一个方向，以免顶梁左右摇摆。

④检查支架的垂直和扭斜度，超过质量标准规定的允许误差范围时要调整，根据顶梁中间入下的垂线和两个柱脚之间连线的水平间距、巷道中线和两个立柱之间连线是否垂直来判定支架是否扭斜。

⑤棚子与棚子之间用金属拉杆通过螺栓夹板互相紧紧拉住，以保证支架沿巷道轴线方向的稳定性，用让压支护来缓解测压对巷道的挤压。

结合上述情况，采用拱形U钢支护，大大增加了抗扭性和稳定性，如图1所示。

3.2 施工工艺与支护要求

3.2.1 施工工艺主要包括两大部分，即锚网喷支护和架棚

三软煤层巷道支护施工工艺流程为：

巷道掘进——临时支护——钻孔、清孔——锚杆与树脂安装——锚杆机搅拌——停止搅拌——顶板锚杆的安装——铺网——添加托盘——喷射混凝土——架棚。

3.2.2 支护技术要求

①在掘进巷道过程中，为减少对顶、帮煤巷岩石的破坏，可以选取光面爆破施工方法，并为后期锚杆主动支护奠定基础。

②在设置锚杆角度和孔深时，应将锚杆孔与岩层主层面垂直，并确保其角度不小于75°。

③通常情况下，锚杆的锚固力应保持在120kN以上，预紧力在20kN以上，其支护强度应大于0.3MPa，并保证锚杆尾端托盘紧贴岩面。

④在这种支护方式中，拱形支架与锚杆支护之间应预留0.3m左右的让压空隙，且空隙大小不得小于0.2m。

在经过多年的井下工作和长期进行巷道支护工艺研究、制定支护方案、实施具体支护措施以后，对不同支护方式进行试验对比，采用这种让压支护方式对巷道变形得到了明显的控制以及巷道服务年限得到了提高，减少了巷道反复维修的次数、节约了成本，从而确保了煤矿安全生产。

4 结束语

现代化建设中，根据三软煤层围岩的应力条件和掘进要求，采用让压支护方式，可以使三软煤层支护方式得到不断优化，从而有效解决紫金煤矿三软煤层巷道中支护问题，促进企业经济效益不断增长。

参考文献：

[1]王勇.“三软”倾斜煤层沿空留巷巷旁支护技术研究[D].重庆大学，2012.

[2]刘倡清，冯晓光.“三软”厚煤层顺槽支护技术研究[J].西安科技大学学报，2012，01：40-44.

[3]张春光，孟迪，张万辉.三软煤巷强力复合支护技术[J].中州煤炭，2012，02：14-16.

[4]孙扬，高建，刘文学.三软煤层巷道冒落机理及锚索桁架联合控制技术[J].西安科技大学学报，2013，03：254-258+264.endprint

摘要：近年来，随着经济全球化发展趋势不断加剧，煤矿业在我国国民经济支柱产业中的地位越来越重要，对于推动我国社会主义现代化建设具有重要影响。在煤矿开采过程中，巷道支护方式的合理选择，与煤矿的开采量和开采人员的生命安全有着直接联系。本文就三软煤层巷道的支护原理进行概述，对常用的三种支护方式进行分析，提出三软煤层巷道支护方式的优化设计，以不断提高企业经济效益。

关键词：三软煤层巷道 支护技术 优化设计 锚网支护

现代化建设中，三软煤层巷道支护是我国煤矿开采向深部延伸和回采时，急需解决的支护难题，因此，必须根据实际需求选择最合适的方式，以保证巷道的稳定，防止安全事故发生。

1 三软煤层巷道的支护原理

根据实际开采情况来看，煤层巷道在掘进和回采期间的支护是否稳定，与巷道围岩的强度、支护方式等有紧密联系，由于我国30%以上的煤层围岩是软岩，因此，必须根据实际生产情况和开采要求，选择最经济、最可靠的三软煤层巷道支护方式，以有效提高支护技术水平。一般情况下，三软煤层巷道围岩破坏具有以下几个特点：时间效应明显、初期变形速率大、环境感知敏感和对应力扰动，所以在软岩的最大塑性承载能力下，进行巷道支护，可以取得最好支护效果。根据相关调查和研究显示，软岩巷道的破坏过程从力学角度分析，可以看作是渐进力学过程，在煤炭开采过程中，破坏是从一个或者几个关键部位开始的，一般发生在围岩应力集中和围岩体强度较低的位置。

2 常用的三种支护方式分析

锚网支护主要包括锚杆支护、喷射混凝土支护、锚杆与喷射混凝土支护和锚网喷支护四种形式，其中，锚梁网支护和工字钢棚支护的实际应用较多，具有机械化程度高、施工效率高和成本较低等特点，在化学腐蚀性较强、水源丰富、应力要求高和跨度大的地段比较适用，尤其是地压较大和不均匀的区域，可采用钢筋混凝土进行支护。支架支护根据材料选用情况，可分为木支架、装配式混凝土支架和金属支架三种；根据结构形式，可以分为可伸缩性支护和刚性支护；按照巷道断面情况，可分为拱形支架和梯形支架，一般适用于巷道围岩非常不稳定或使用时间不长的情况下，具有成本较低、应用方便等特点。联合支护是以锚喷支护为主的支护方式，在地应力较大时使用，可以提高支护的稳定性，综合性较强，是未来巷道支护技术研究和发展的方向。

3 三软煤层巷道支护方式的优化设计研究

3.1 联合支护优化设计

3.1.1 选择巷道断面。结合煤矿巷道支护实际情况，采用半圆拱断面施工时，巷道净断面宽3.8m、高4.0m。这样的设计不仅可以支护锚网，还能为后期预留一定的孔隙，在围岩变形的情况下将能量释放。

3.1.2 设计锚杆参数

①锚杆形式与规格：杆体是20#左旋无纵筋螺纹钢，长为2400mm。锚杆间排距为800×800mm，锚索间排距为1600×1600mm。锚固方式：利用树脂锚固剂进行锚固。钢筋托梁：利用Φ14圆钢筋焊接成长4400mm、宽80mm进行托梁。锚杆角度：在进行锚杆安装过程中，安装位置需要与岩层面垂直，并保证角度不小于75°。锚网参数：采用冷拔钢筋焊接网片，其网格规格为100mm*100mm。

②施工锚杆。在设计好的位置进行锚杆施工，包括锚杆钻孔、钻孔注浆和销杆制作及安装等，并且钻孔需要安装好设计长度和角度才能进行施工。

③绑扎钢筋网和铺设钢筋托梁。根据设计好的路线在煤、岩壁上铺设钢筋网，绑扎完毕后再安装钢筋拖梁。

④锚杆紧固和喷射混凝土。待钢筋网和拖梁达到施工要求以后，对锚杆进行预应力紧固，紧固达到规定设计后进行喷射混凝土。

3.1.3 U钢棚支护设计

联合支护选用经过特殊处理的29#U钢，拱形支架承载顶压力较大，具有一定的收缩性，在大变形巷道和动压影响巷道中得到了广泛的推广与应用。由于拱形支架所承受的侧压力较弱，一旦出现稍微较大的侧压力，可能会出现崩腿、尖顶等现象，最终导致工程支护返工次数增加，因此在棚腿两侧使用柔性材料充填，采用让压支护技术，缓解侧压对巷道支护的变形量，达到长久稳固支护的目的。

■

图1 U型钢棚支护

①根据中线及设计棚距大小找出柱窝位置，然后按中腰线把柱窝深度挖够。

②在柱腿上画出腰线所在位置，将立柱放入柱窝内，使柱上腰线和帮上腰线一致，并用拉杆固定立柱以免倾斜，采用柔性材料来进行填充。在巷道支护中，喷锚支护属于柔性薄性支护，锚喷支护的密贴性、可分性和柔性，大大改善了自身的受力状态。在洞室开挖后，需立即喷射一层较薄的砼加固岩体，防止巷道局部受到破坏，以提高整个巷道的稳定性。

③在弧形顶梁上画出中线位置，把顶梁架到立柱上，弧形顶梁的两端插入和搭接在柱腿的弯曲部位，两腿的搭接长度一般为400mm左右，该处用两个卡箍固定（每个卡箍包括一个U型螺杆和一块U型垫板，四个螺母），保证顶梁上中线记号与事先拉好的中线在一个方向，以免顶梁左右摇摆。

④检查支架的垂直和扭斜度，超过质量标准规定的允许误差范围时要调整，根据顶梁中间入下的垂线和两个柱脚之间连线的水平间距、巷道中线和两个立柱之间连线是否垂直来判定支架是否扭斜。

⑤棚子与棚子之间用金属拉杆通过螺栓夹板互相紧紧拉住，以保证支架沿巷道轴线方向的稳定性，用让压支护来缓解测压对巷道的挤压。

结合上述情况，采用拱形U钢支护，大大增加了抗扭性和稳定性，如图1所示。

3.2 施工工艺与支护要求

3.2.1 施工工艺主要包括两大部分，即锚网喷支护和架棚

三软煤层巷道支护施工工艺流程为：

巷道掘进——临时支护——钻孔、清孔——锚杆与树脂安装——锚杆机搅拌——停止搅拌——顶板锚杆的安装——铺网——添加托盘——喷射混凝土——架棚。

3.2.2 支护技术要求

①在掘进巷道过程中，为减少对顶、帮煤巷岩石的破坏，可以选取光面爆破施工方法，并为后期锚杆主动支护奠定基础。

②在设置锚杆角度和孔深时，应将锚杆孔与岩层主层面垂直，并确保其角度不小于75°。

③通常情况下，锚杆的锚固力应保持在120kN以上，预紧力在20kN以上，其支护强度应大于0.3MPa，并保证锚杆尾端托盘紧贴岩面。

④在这种支护方式中，拱形支架与锚杆支护之间应预留0.3m左右的让压空隙，且空隙大小不得小于0.2m。

在经过多年的井下工作和长期进行巷道支护工艺研究、制定支护方案、实施具体支护措施以后，对不同支护方式进行试验对比，采用这种让压支护方式对巷道变形得到了明显的控制以及巷道服务年限得到了提高，减少了巷道反复维修的次数、节约了成本，从而确保了煤矿安全生产。

4 结束语

现代化建设中，根据三软煤层围岩的应力条件和掘进要求，采用让压支护方式，可以使三软煤层支护方式得到不断优化，从而有效解决紫金煤矿三软煤层巷道中支护问题，促进企业经济效益不断增长。

参考文献：

[1]王勇.“三软”倾斜煤层沿空留巷巷旁支护技术研究[D].重庆大学，2012.

[2]刘倡清，冯晓光.“三软”厚煤层顺槽支护技术研究[J].西安科技大学学报，2012，01：40-44.

[3]张春光，孟迪，张万辉.三软煤巷强力复合支护技术[J].中州煤炭，2012，02：14-16.

[4]孙扬，高建，刘文学.三软煤层巷道冒落机理及锚索桁架联合控制技术[J].西安科技大学学报，2013，03：254-258+264.endprint

摘要：近年来，随着经济全球化发展趋势不断加剧，煤矿业在我国国民经济支柱产业中的地位越来越重要，对于推动我国社会主义现代化建设具有重要影响。在煤矿开采过程中，巷道支护方式的合理选择，与煤矿的开采量和开采人员的生命安全有着直接联系。本文就三软煤层巷道的支护原理进行概述，对常用的三种支护方式进行分析，提出三软煤层巷道支护方式的优化设计，以不断提高企业经济效益。

关键词：三软煤层巷道 支护技术 优化设计 锚网支护

现代化建设中，三软煤层巷道支护是我国煤矿开采向深部延伸和回采时，急需解决的支护难题，因此，必须根据实际需求选择最合适的方式，以保证巷道的稳定，防止安全事故发生。

1 三软煤层巷道的支护原理

根据实际开采情况来看，煤层巷道在掘进和回采期间的支护是否稳定，与巷道围岩的强度、支护方式等有紧密联系，由于我国30%以上的煤层围岩是软岩，因此，必须根据实际生产情况和开采要求，选择最经济、最可靠的三软煤层巷道支护方式，以有效提高支护技术水平。一般情况下，三软煤层巷道围岩破坏具有以下几个特点：时间效应明显、初期变形速率大、环境感知敏感和对应力扰动，所以在软岩的最大塑性承载能力下，进行巷道支护，可以取得最好支护效果。根据相关调查和研究显示，软岩巷道的破坏过程从力学角度分析，可以看作是渐进力学过程，在煤炭开采过程中，破坏是从一个或者几个关键部位开始的，一般发生在围岩应力集中和围岩体强度较低的位置。

2 常用的三种支护方式分析

锚网支护主要包括锚杆支护、喷射混凝土支护、锚杆与喷射混凝土支护和锚网喷支护四种形式，其中，锚梁网支护和工字钢棚支护的实际应用较多，具有机械化程度高、施工效率高和成本较低等特点，在化学腐蚀性较强、水源丰富、应力要求高和跨度大的地段比较适用，尤其是地压较大和不均匀的区域，可采用钢筋混凝土进行支护。支架支护根据材料选用情况，可分为木支架、装配式混凝土支架和金属支架三种；根据结构形式，可以分为可伸缩性支护和刚性支护；按照巷道断面情况，可分为拱形支架和梯形支架，一般适用于巷道围岩非常不稳定或使用时间不长的情况下，具有成本较低、应用方便等特点。联合支护是以锚喷支护为主的支护方式，在地应力较大时使用，可以提高支护的稳定性，综合性较强，是未来巷道支护技术研究和发展的方向。

3 三软煤层巷道支护方式的优化设计研究

3.1 联合支护优化设计

3.1.1 选择巷道断面。结合煤矿巷道支护实际情况，采用半圆拱断面施工时，巷道净断面宽3.8m、高4.0m。这样的设计不仅可以支护锚网，还能为后期预留一定的孔隙，在围岩变形的情况下将能量释放。

3.1.2 设计锚杆参数

①锚杆形式与规格：杆体是20#左旋无纵筋螺纹钢，长为2400mm。锚杆间排距为800×800mm，锚索间排距为1600×1600mm。锚固方式：利用树脂锚固剂进行锚固。钢筋托梁：利用Φ14圆钢筋焊接成长4400mm、宽80mm进行托梁。锚杆角度：在进行锚杆安装过程中，安装位置需要与岩层面垂直，并保证角度不小于75°。锚网参数：采用冷拔钢筋焊接网片，其网格规格为100mm*100mm。

②施工锚杆。在设计好的位置进行锚杆施工，包括锚杆钻孔、钻孔注浆和销杆制作及安装等，并且钻孔需要安装好设计长度和角度才能进行施工。

③绑扎钢筋网和铺设钢筋托梁。根据设计好的路线在煤、岩壁上铺设钢筋网，绑扎完毕后再安装钢筋拖梁。

④锚杆紧固和喷射混凝土。待钢筋网和拖梁达到施工要求以后，对锚杆进行预应力紧固，紧固达到规定设计后进行喷射混凝土。

3.1.3 U钢棚支护设计

联合支护选用经过特殊处理的29#U钢，拱形支架承载顶压力较大，具有一定的收缩性，在大变形巷道和动压影响巷道中得到了广泛的推广与应用。由于拱形支架所承受的侧压力较弱，一旦出现稍微较大的侧压力，可能会出现崩腿、尖顶等现象，最终导致工程支护返工次数增加，因此在棚腿两侧使用柔性材料充填，采用让压支护技术，缓解侧压对巷道支护的变形量，达到长久稳固支护的目的。

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图1 U型钢棚支护

①根据中线及设计棚距大小找出柱窝位置，然后按中腰线把柱窝深度挖够。

②在柱腿上画出腰线所在位置，将立柱放入柱窝内，使柱上腰线和帮上腰线一致，并用拉杆固定立柱以免倾斜，采用柔性材料来进行填充。在巷道支护中，喷锚支护属于柔性薄性支护，锚喷支护的密贴性、可分性和柔性，大大改善了自身的受力状态。在洞室开挖后，需立即喷射一层较薄的砼加固岩体，防止巷道局部受到破坏，以提高整个巷道的稳定性。

③在弧形顶梁上画出中线位置，把顶梁架到立柱上，弧形顶梁的两端插入和搭接在柱腿的弯曲部位，两腿的搭接长度一般为400mm左右，该处用两个卡箍固定（每个卡箍包括一个U型螺杆和一块U型垫板，四个螺母），保证顶梁上中线记号与事先拉好的中线在一个方向，以免顶梁左右摇摆。

④检查支架的垂直和扭斜度，超过质量标准规定的允许误差范围时要调整，根据顶梁中间入下的垂线和两个柱脚之间连线的水平间距、巷道中线和两个立柱之间连线是否垂直来判定支架是否扭斜。

⑤棚子与棚子之间用金属拉杆通过螺栓夹板互相紧紧拉住，以保证支架沿巷道轴线方向的稳定性，用让压支护来缓解测压对巷道的挤压。

结合上述情况，采用拱形U钢支护，大大增加了抗扭性和稳定性，如图1所示。

3.2 施工工艺与支护要求

3.2.1 施工工艺主要包括两大部分，即锚网喷支护和架棚

三软煤层巷道支护施工工艺流程为：

巷道掘进——临时支护——钻孔、清孔——锚杆与树脂安装——锚杆机搅拌——停止搅拌——顶板锚杆的安装——铺网——添加托盘——喷射混凝土——架棚。

3.2.2 支护技术要求

①在掘进巷道过程中，为减少对顶、帮煤巷岩石的破坏，可以选取光面爆破施工方法，并为后期锚杆主动支护奠定基础。

②在设置锚杆角度和孔深时，应将锚杆孔与岩层主层面垂直，并确保其角度不小于75°。

③通常情况下，锚杆的锚固力应保持在120kN以上，预紧力在20kN以上，其支护强度应大于0.3MPa，并保证锚杆尾端托盘紧贴岩面。

④在这种支护方式中，拱形支架与锚杆支护之间应预留0.3m左右的让压空隙，且空隙大小不得小于0.2m。

在经过多年的井下工作和长期进行巷道支护工艺研究、制定支护方案、实施具体支护措施以后，对不同支护方式进行试验对比，采用这种让压支护方式对巷道变形得到了明显的控制以及巷道服务年限得到了提高，减少了巷道反复维修的次数、节约了成本，从而确保了煤矿安全生产。

4 结束语

现代化建设中，根据三软煤层围岩的应力条件和掘进要求，采用让压支护方式，可以使三软煤层支护方式得到不断优化，从而有效解决紫金煤矿三软煤层巷道中支护问题，促进企业经济效益不断增长。

参考文献：

[1]王勇.“三软”倾斜煤层沿空留巷巷旁支护技术研究[D].重庆大学，2012.

[2]刘倡清，冯晓光.“三软”厚煤层顺槽支护技术研究[J].西安科技大学学报，2012，01：40-44.

[3]张春光，孟迪，张万辉.三软煤巷强力复合支护技术[J].中州煤炭，2012，02：14-16.

[4]孙扬，高建，刘文学.三软煤层巷道冒落机理及锚索桁架联合控制技术[J].西安科技大学学报，2013，03：254-258+264.endprint