深部特软煤层煤巷支护技术研究

刘鹏程

(西山煤电(集团)有限责任公司 西曲矿，山西 古交 030200)

·技术经验·

深部特软煤层煤巷支护技术研究

刘鹏程

(西山煤电(集团)有限责任公司 西曲矿，山西 古交 030200)

针对某矿深部特软煤层11141回风巷道支护困难、变形大、整巷费用高的问题，分析了特软煤层巷道变形破坏特征，提出了采用锚网索+高凸钢带+底角锚杆注浆加固的支护方案，该支护方式在提高顶帮支护稳定性的同时弱化了底鼓效应，有效解决了特软煤层巷道快速掘进问题，取得了良好的技术经济效果。

深部特软煤层；巷道支护；锚网索；高凸钢带；注浆锚杆

1 工程地质条件

某矿11141回风巷属于全煤巷道，位于一采区东翼，巷道标高约-480 m. 巷道断面为不规则梯形，上顶宽4.2 m，下底宽5.654 m，左帮长2.7 m，右帮长3.7 m，巷道中部高为2.8 m，巷道毛段面积为14.42 m2，净段面积为13.36 m2，该巷道掘进支护平行作业一次成巷。巷道采用锚网索加工字钢联合支护，锚索采用d17.8 mm×1 000 mm钢绞线锚索，每根锚索配合4支树脂药卷，锚索间排距为1 400 mm×1 400 mm，锚索呈五花布置，锚网规格为4 200 mm×800 mm，网格大小为80 mm×80 mm；左右两帮及顶梁间布置两架钢棚，棚间用木撑杆撑紧，两帮椽杆间距250 mm. 该巷道在掘进施工期间会发生严重的变形破坏，尤其会产生大量级的底鼓，需要进行多次起底工作，整修巷道费用巨大，由于顶底板过大的收敛变形，为保持巷道断面需求，需要在巷道中间增加木支撑，为人员行走带来了不便。

2 特软煤层巷道变形破坏特征及支护对策

2.1 巷道变形破坏原因

依据巷道所处工程地质条件及变形破坏监测，结合理论分析可知，11141回风巷变形破坏原因主要有：

1) 巷道围岩所处的地质情况是造成巷道大量级变形破坏的主要原因。该煤层属于强度低的特软煤层，巷道支护难度系数达1.5～2.0，支护困难，因而变形量很大。

2) 底板弱化导致巷道底鼓量大，由于煤体强度低，在受到工程扰动及淋水影响后会发生软化现象，底板弱化现象越严重，底鼓量也越大，底鼓量与底板弱化程度呈非线性增长关系。

3) 帮部弱化不合理。在巷道两帮施工瓦斯抽放孔，抽放孔的施工造成巷道两帮围岩承载能力降低，将围岩的应力峰值向深部转移。巷道两帮弱化则造成巷道顶底板的支承减弱，而顶底板变形可近似为简支梁，在深部高应力环境下会产生较大的挠曲变形。

4) 支护方式不合理。巷道目前所采用的锚索加工字钢支护与围岩耦合程度低，问题主要为：锚索间排距较大，未形成锚索群支护体系，对于软煤顶板未形成组合加固效应；而工字钢支护属于被动的点载荷支护，支护效果不佳；煤层及顶底板加固不足，在垂直应力的作用下易发生挠曲变形。

2.2 支护对策

1) 软岩巷道具有复杂的受力变形特征，因此会出现变形大及支护困难的问题，针对软岩巷道的支护，要确定软岩变形力学机制及支护的时间与顺序才能保证支护成功。

2) 对软岩巷道支护应坚持以下原则：

a) 过程原则。巷道的变形与其相应支护方式是一个变化的过程，要对巷道变形有效控制就需要从复合型机制向单一型机制转换，针对不同时期不同的变形特征采取不同的支护。

b) 塑性圈原则。塑形圈的出现可以降低巷道变形能量，减小其应力集中程度，改善围岩应力状态，将塑性圈厚度保持在一个合理范围内，既能使围岩变形能量得到释放，又可以使围岩保持一定强度，发挥其最合理的承载能力。

c) 关键部位支护原则。任何巷道的变形破坏都是由一个或几个部位变形破坏开始，最终导致整个支护系统的失效，最先发生破坏的被称为关键部位，也是巷道支护的关键区域。

一采区11141回风巷围岩主要由砂质泥岩、泥岩及细粒砂岩构成，围岩节理裂隙发育，无含水构造带，施工用水导致围岩吸水软化。可通过控制施工用水、预留变形空间、锚网索钢带及底角锚杆来控制围岩变形。

3 特软煤巷支护设计技术研究

3.1 高凸钢带-预应力锚网索耦合支护作用机理

巷道的稳定性主要取决于围岩的自承能力，围岩的自承能力与围岩岩性及其强度有密切关系。而锚杆(索)与钢带能够改善围岩的力学性质，增强其承载能力，使围岩对变形有更好的适应性。

1) 锚杆(索)预应力作用。

工程实践表明，软岩巷道开挖后由三向应力状态转化为单向应力状态，周边围岩发生塑性变形破坏，应力峰值向深部转移，通过锚杆(索)预应力的施加可以增强围岩的自承能力，保持围岩的完整性，防止围岩的离层。假设顶板为层状结构，示意图见图1.

图1 层状结构岩体中锚杆作用示意图

锚杆在h1和h2层中增加的抗剪力为：

(1)

式中：

n—每排锚杆数量，个；

α—锚杆排距，m；

B—巷道宽度，m；

f—岩层间摩擦系数；

P—锚杆预紧力，kN；

d—锚杆直径，m；

τ—锚杆的抗剪强度，kN.

由式(1)可知，岩层间的抗剪力与锚杆预紧力及直径成正比，对锚杆(索)及时施加预紧力可以有效约束岩层的离层及剪切错动现象，使围岩处于给定变形状态，最大限度保持锚固范围围岩的完整性，取得良好的支护效果。

2) 高凸钢带作用机理。

高凸钢带主要材质为A3钢材，其宽度W为130～140 mm，凸高h为10 mm，高度H为18～20 mm，长度L为2 000～5 000 mm，钢带孔撕裂载荷大于210 kN，承载能力大于220 kN. 该钢带延展性好，强度高，抵抗撕裂能力强，由于增加凸台，在受到较大压力时可以通过增大变形空间来调节压力，高凸钢带示意图见图2.

L—长度 W—宽度 H—高度 B—凸台宽度 L1—孔间距 d—孔径图2 高凸钢带示意图

与M型、W型钢带相比较，高凸钢带的抗弯截面刚度较小，但W型和M型钢带因其厚度小而沿着应力集中程度最大的孔口撕裂，在巷道围岩的不均匀变形过程中，这两种钢带会因受力不均匀而加剧变形破坏，造成支护系统失效。高凸钢带宽度较小，保护面积也较小，但其厚度大，强度高，抵抗撕裂的性能好，单位保护面积的刚度大，尤其凸台的存在能更好地适应软岩巷道围岩的不规则大变形。

3.2 煤巷底鼓的防治

软岩的扩容、膨胀及流变是引起巷道底鼓的主要原因。在较大地压及软岩遇水膨胀的共同作用下会引起巷道底鼓变形，因此底鼓的治理要综合考虑地压、防治水及两帮。

1) 软岩具有遇水软化的特征，而工作面积水主要为施工用水，因此要加强施工用水管理，减小其对软岩的不利影响。

2) 巷道两帮及底板顶角的围岩强度低，容易发生塑性变形破坏，因而需要加强支护来提高围岩的自承能力，减小应力集中程度，通过巷道底板注浆加固可以有效防止底鼓现象的发生，控制塑性区扩大。加固巷道帮角可以同时起到控制底鼓和两帮围岩位移的作用。

4 煤巷支护设计及施工

针对巷道现有施工技术水平及数值模拟研究，将巷道支护最终确定为锚网索+高凸钢带+底角锚杆注浆加固的支护方案。

1) 支护材料及参数。

锚杆选用d22 mm×2 500 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶锚杆及左帮锚杆间排距为650 mm×700 mm，右帮锚杆间排距为700 mm×700 mm，使用两支K23350树脂锚固剂端头锚固，顶锚杆预紧力不低于8 t，帮锚杆预紧力不低于6 t.

锚索选用d18.9 mm×10 000 mm的钢绞线锚索，外露长度为200 mm，间排距为1 400 mm×2 100 mm，每排布置2跟锚索，锚索采用两支CK23350和两支K23350树脂锚固剂端头锚固，锚索紧跟迎头安装，锚索预紧力不低于12 t.

锚杆托盘型号为30/140×20×140型高凸梯形托盘，钢带为三眼GDT30/140×20×2000型高凸梯形钢带，锚索托盘型号为30/140×20×400型高凸梯形托盘，钢带为两眼GDT30/140×20×2000型高凸梯形钢带。

顶板金属网选用d6 mm钢筋，网片尺寸1 470 mm×910 mm，网格尺寸70 mm×70 mm，帮部选用网格尺寸为40 mm×40 mm的菱形铁丝网，网片之间的搭接采用金属丝扭接。

底角注浆锚杆采用d32 mm×2 500 mm的无缝钢管，排距为700 mm，杆体布置有12个d6 mm的注浆孔，注浆孔呈三花布置，孔间距为200 mm.巷道支护示意图见图3.

图3 巷道支护示意图

2) 施工过程。

a) 按设计巷道断面进行掘进施工并搭设临时支护，使用2根单体液压支柱，距离工作面小于0.3 m，支撑力不小于50 kN.

b) 紧跟工作面挂网施工顶部及帮部锚杆并施加预应力。

c) 利用锚索钻机施工预应力锚索，预应力不小于12 t.

d) 施工底角注浆锚杆，打眼清孔后将无缝钢管插入锚杆孔中，注浆材料采用普通硅酸盐水泥，水灰比为0.7∶1，注浆压力为3 MPa.

5 矿压监测

对巷道围岩变形的观测采用十字交叉法，在巷道的顶底板及两帮中点布置A、B、C、D四个测点，测点布置见图4，观测结果见图5.

图4 测点布置图

图5 巷道断面围岩变形曲线图

由图5可得，在0～60 d巷道顶底板收敛速度大，达到6 mm/d，第60 d末收敛量达到360 mm，此后变形减缓，在第140 d变形达到稳定，最终顶底板收敛量为400 mm；两帮收敛变形速度在0～30 d较大，达到4.5 mm/d，50 d后变形逐渐趋于稳定，两帮最终收敛量为150 mm. 相比原支护方案，采用锚网索+高凸钢带+底角锚杆注浆加固的支护方案巷道顶底板及两帮收敛量及收敛速度均显著减小，巷道变形得到有效维护，取得了良好的支护效果。

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StudyonCoalRoadwaySupportTechnologyinDeepSoftCoalSeam

LIUPengcheng

Aiming at the difficulties in support, deformation and high cost of 11141 return airway in deep soft seam of a coal mine, the characteristics of deformation and failure of unusual soft seam roadway are analyzed. The method of cable anchor plus High protruding steel band plus floor anchor grouting reinforcement is adopted to improve the stability of the roof support and the bottoming heave is weakened meanwhile, which effectively improves the excavation in the soft coal roadway and obtains the technical and economic effect.

Deep soft coal seam; Roadway support; Bolt-mech-anchor; High protruding steel band; Grouting bolt

TD353

：B

：1672-0652(2017)07-0036-04

2017-06-01

刘鹏程(1987—)，男，山西古交人，2011年毕业于山西大同大学，助理工程师，主要从事井下采煤技术工作(E-mail)531115271@qq.com