“三软”煤层差异化支护探索

张海江　王杰

摘要：郑煤集团米村煤矿主要开采的二叠系山西组二1煤，属典型的“三软”不稳定煤层。受不稳定煤层赋存条件影响，煤巷支护以单一的被动支护为主，在高应力作用下，巷道往往陷入“前掘后修”、“屡修屡坏”的尴尬局面。文章在分析锚网、锚索支护作用原理的基础上，提出了差异化支护方案。经工程实践证明，该方案能针对不同地质状态，采用不同支护手段，对症下药，有效控制了围岩变形破坏，取得了良好的支护效果。

关键词：“三软”煤层；不稳定煤层；高应力；差异化支护；采煤 文献标识码：A

中图分类号：TD353 文章编号：1009-2374（2015）01-0147-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0074

1 概述

郑煤集团米村煤矿位于郑州矿区西北部，该矿内主要开采的二叠系山西组二1煤，该煤层厚度在0～37.8m之间，不仅厚度变化大，且受滑动地质构造影响，煤层组织疏松，煤层硬度系数f普遍小于0.8，煤层风化后手指滑过煤墙便会落下。煤层伪顶、直接顶及底板大多为强度较低的炭质泥岩、砂质泥岩、砂质页岩等，属典型的“三软”不稳定煤层。

由于二1煤层赋存极不稳定，煤层厚度变化较大，长期以来我矿工作面煤巷布置普遍采用沿底掘进方式，支护方式一直以支架支护为主，煤巷支护方式由最初的木棚支护、矿工钢棚等刚性支架发展到U型钢可缩性支架。然而长期的工程实践表明巷道掘出后往往陷入“前掘后修”、“屡修屡坏”的恶性循环，在高应力作用下，“三软”煤层巷道掘出后卸荷迅猛，来压快，巷道变形量、变形速率均很大，围岩位移最大速度达到40mm/d以上，10～15d后巷道断面收缩率达可达30%左右。如何解决支架损坏严重、巷道迅猛的变形的状况，成为工程技术人员研究的课题。

2 “三软”煤巷失稳机理分析

巷道围岩岩性、围岩应力及支护方式是影响巷道围岩稳定性的三大要素。结合米村矿“三软”煤层赋存条件及现有巷道支护方式，造成“三软”煤巷失稳破坏原因主要有以下两个方面：

2.1 煤层强度低、巷道围岩压力大

测试结果表明，米村矿二1煤层极为松软，煤层强度普遍小于8MPa，风化后甚至不足1MPa。开采深度超过300m。若巷道埋深为300m时，上覆岩层平均密度按2500kg/m3计算，则理论上巷道所处铅垂应力约7.4MPa。且大量实测结果表明，构造应力和采动应力往往数倍于原岩应力，若应力集中系数取2.0，则巷道围岩铅垂应力水平接近15MPa，远远超过煤体自身抗压强度，极易在高应力作用下产生塑性流变。

同时，由于二1煤层赋存极不稳定，煤层厚度变化较大，煤巷沿底掘进时，巷道全断面处于二1煤层中，虽然二1煤层顶、底板均为强度不高的砂质泥岩或泥岩，但其单轴抗压强度也基本上是二1煤层的数倍，这样在空间上就形成了“强—弱—强”的结构，支承压力由顶板向底板传递过程中，松软易流变的二1煤层像面团一样向巷道内鼓出，普通金属支架难以适应如此强烈的剪胀变形，加之现有支架抗侧压能力差，导致大量支架出现失稳、破坏。在该过程中由于巷道处煤层厚度的不同，便出现两种较为典型的破坏形式：

第一种是当煤层厚度太大，巷道无法完全沿底掘进并撇有底煤时，巷道围岩变形压力作用于支架顶梁后，U型钢支架柱腿逐渐钻入底煤中。由于支架钻底过程中带动整个支架让压，虽然在钻底初期支架顶梁与柱腿搭接处卡缆滑移并不明显，但支架钻底让压造成顶板进一步离层碎胀，作用于支架顶梁的载荷不断增加，当支架钻至硬底时顶梁便开始严重下滑，并最终造成卡缆崩断、支架张嘴，支架承载能力急剧丧失。

第二种是顶煤较厚而巷道底板为岩石时，此时支架不易钻底或钻底量较小，这种条件下对常用的直腿半圆拱形支架而言，由于柱窝深度较浅底板岩体对支架柱腿约束力有限。在高应力作用下支架两帮首先失稳、破坏并不断内移，支架顶梁在顶板压力作用下也向下滑动，当下滑量达到一定程度时导致支架顶梁折断或支架卡缆崩断造成搭接处“张嘴”，从而导致支架承载能力急剧丧失。

2.2 巷道支护设计缺乏针对性

受“三软”煤层赋存条件影响，长期以来我矿煤巷支护一直以被动支护为主。无论是浅部采区还是深部采区，大家采取的支护手段、支护参数都差不多，支护设计往往缺乏针对性。而当巷道支护出现问题时，由于缺乏这方面的专门研究，大家往往应对不够及时、有效，要么束手无策听任其变形，要么精心设计的加固手段未能奏效，致使很多情况下现场工程技术人员无奈地看着巷道逐渐变形、失稳。

综合近年来“三软”煤巷支护状况，当巷道出现大变形时大家所采取的方式也都是千篇一律，要么加大支护型钢的型号，由25U提高至29U，再由29U更换至36U；要么是加大支护密度，支架最小棚距仅为400mm。由此可见，现有支护技术注重提高支护体的强度和刚度，而实际上支护体与巷道围岩所形成的承载结构的强度和稳定性才是决定巷道维护状况的关键。

3 锚网支护作用机理

在工程实践中，一般条件下巷道掘出后巷道顶板岩层随即出现挠曲下沉，顶板岩层离层、破裂的过程也是围岩自承载能力逐步丧失的过程。因此，工程实践中应采取措施避免顶板岩层出现离层、破裂，促使顶板围岩保持始终一定的自承载能力。显然采用单一被动支护无法达到这一目的，必须借助锚杆、锚索等主动支护手段来实现这一目的。

作为一种典型的主动支护方式，锚杆在实际支护过程中具有支护和加固两种作用，并通过径向锚固力和切向锚固力共同控制锚固范围内岩体，使锚杆与围岩联合形成共同承载结构。

锚杆支护作用体现为：浅部岩体受到锚杆径向作用力作用，岩体周围压力水平增高，并将不利于发挥围岩强度的受力状态转化为增大岩体峰后强度的应力状态，增大围岩破坏后强度，减小巷道浅部岩体的应力降低范围和深部岩体的应力集中现象。endprint

锚杆加固作用体现为：巷道围岩岩体中存在大量的、分布迥异的层理、裂隙等结构弱面，锚杆的切向锚固力改善岩体弱面的力学性质，减小结构面之间的摩擦滑动，提高结构面的抗剪强度，改善岩体的力学性质，起到加固岩体的作用。

当巷道煤层厚度不大，巷道直接顶板为岩石时，顶板采用锚网支护能够发挥顶板岩层的自承载能力，减小顶板下沉对帮部煤体的挤压作用。

4 “三软”煤巷掘进棚-索共同支护设计原理

而当回采巷道留顶煤沿底掘进时，锚杆对松软煤体的加固作用并不明显，巷道支护需依靠锚索将浅部被动支护形成的承载结构悬吊至深部稳定岩体上。将载荷作用下支护结构自身存在的危险截面，通过在合理位置施加一定大小的结构补偿力，大幅度降低支护结构危险截面承受的应力，同时降低支护结构整体承受的应力，使得支护体的承载性能得以充分发挥，提高支护结构的整体稳定性及其承载能力。

5 “三软”煤层差异化支护工程实践

210051上付巷所处岩层主要为炭质泥岩、砂质泥岩、砂质页岩，设计工程量500m，布置在二1煤层中；煤厚0～10m，平均煤厚4.6m，沿底掘进，巷道平均埋深约324m。与多条老巷立交、平交，受临近空区及巷道的影响较大，容易造成应力集中。

该巷道初期采用U型钢支护，掘进几十米后，便发生破坏，采用U29型钢支架修复，棚距0.5m，修复后巷道局部地段仍破损严重。如果仍采用原支护形式，必然造成巷道边掘进边修复的被动局面，不但影响巷道进尺，危及工人生命安全，而且还会造成严重经济损失，因此必须改变原支护形式，根据不同的地质条件采用不同的支护形式和不同支护参数，以适合软岩巷道特点的支护体系。

（1）当煤层厚度不大，小于3.0m时，巷顶为岩层时，采用锚网支护。锚杆选用Φ22mm左旋螺纹钢，锚杆长度3.0m，锚杆间排距为800×800mm。（2）当顶板煤层厚度3～5m时，采用锚索-锚杆网耦合支护，顶部布置4根锚索，长度6～8m，确保锚索打至上覆稳定岩层1m；帮部仍采用3m锚杆支护，间排距0.8m。（3）当煤层厚度大于5m时，由于煤层较厚，选用锚索-棚来联合支护。据支护结构补偿原理知，支架危险截面为支架拱部60°～120°处，支架帮部距地面1.0～1.2m位置处，故使用14m2支架时，在支架两帮各布置2根锚索，底部锚索距巷底1.2m位置处，锚索间距1200mm；拱部布置2根锚索，锚索间距2400mm，结构补偿锚索规格为：直径15.24mm，长度8.0m。每隔一棚打一排锚索，锚索使用U型钢短节锚固支架。

6 支护效果

为了检验支护效果，在巷道中布置了围岩位移监测点，每10天监测一次，经过半年来监测所示：巷道的顶板下沉量、两帮位移量都不是很大，其中顶板的下沉量最大为150.9mm，两帮位移量最大为140.5mm。由此可见，该差异化支护方案对不同的地质条件，采取针对性支护手段，提高了支护结构的整体性和承载能力，有效地控制了“三软”煤层煤巷的变形破坏，保证了巷道的稳定和矿井的正常生产，同时节省了支护成本，具有广阔的发展前景

7 结语

（1）根据不同巷道围岩的不同状态，分段采用不同支护方式，既保证了巷道的正常使用，又减少了人力物力投入，取得了明显的经济技术效益。（2）改善了“三软”煤巷支护状态，大力推行主动支护，合理降低支护成本，减轻工人劳动强度，提高支护质量，保障支护安全。为“三软”煤巷差异化支护设计、施工、检测及验收提供依据，同时有利于“三软”煤巷差异化支护技术进一步推广应用。（3）随着矿井向深部开采的发展，矿山压力显现更加剧烈，我矿“三软”煤巷支护技术研究的成功实施，为今后矿井井巷支护和维修提出了新的途径、新的思路，为煤矿长远发展奠定了基础，并取得了显著的社会效益。

作者简介：张海江（1988—），男，山西长治人，郑煤集团米村煤矿助理工程师，研究方向：煤矿技术管理。

（责任编辑：蒋建华）endprint