深部软岩回采巷道支护方案分析

岳鹏飞

（阳泉市大阳泉煤炭有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

龙口矿区内的梁家井田在地下240 m～410 m地层区域内都有煤层存在，此区域煤层通常是泥岩、黏土岩、含油泥岩以及砂岩，岩性大多为炭质页岩，质地胶结松散，因此此煤田应该是在新生代第三系中形成的。最佳采煤层应该是煤2和煤4层，顶板、底板以及实测煤层从硬度系数来看都不超过1，单向抗压强度都不超过10 MPa。

1 工程概况

煤2层的厚度为4.21 m，含水率为3.50%，工程稳定性为较稳定。在煤2层的上方为油层和含油泥岩，层厚分别为7.15 m和11.42 m，含水率分别为3.46%和1.83%，单轴抗压强度分别为44.30 MPa和21.06 MPa，油层的工程稳定性为非常稳定，含油泥岩的自由膨胀率为160.70%，比表面积为364.16 m2/g，含油泥岩的工程稳定性为不稳定；煤2层以下的两个岩层为黏土岩和砂质泥岩，含水率分别为1.33%和3.43%，单轴抗压强度分别为7.93 MPa和16.13 MPa，自由膨胀率分别为185.00%和245.00%，蒙脱石含量（质量分数）分别为28.54%和11.44%，比表面积分别为170.93 m2/g和111.78 m2/g，工程稳定性均为不稳定。煤4层的层厚为3.1 m，含水率为3.1%，单轴抗压强度为7.12 MPa，自由膨胀率为190.00%，蒙脱石含量为20.64%，比表面积263.20 m2/g，工程稳定性为不稳定。煤4层以上的两个岩层为含炭泥岩和粗砂岩，层厚为5.20 m和4.36 m，单轴抗压强度分别为13.26 MPa和16.58 MPa，自由膨胀率分别为145.00%和160.00%，蒙脱石含量（质量分数）分别为19.97%和17.15%，比表面积分别为212.43 m2/g和185.63 m2/g，工程稳定性均为不稳定。

2 深部软岩巷道支护要求

由于处于软岩地层当中，在进行巷道挖掘的过程中，底板、煤体以及顶板会有破碎松散的情况发生，从而不能形成层，围岩不具备较高的强度，往往在较短的时间之内就会失去自稳，同时还会产生较为明显的压力[1]。围岩具有流变性的特点，并且含有十分明显的扰动性、崩解性以及吸水膨胀性。特别是煤4层的回采巷道，由于埋深比较大，这些围岩的特点和特性更加明显，在掘巷之后一定要快速进行支护，要求支护具有一定的强度，且对围岩及时进行封闭，从而顺利完成巷道支护工作。

3 分析深部软岩巷道围岩稳定性

松软煤岩层的稳定性非常不好，由于煤2层和煤4层的巷道所在煤层以及顶板、底板所在煤层均处于松软煤岩层中，所以其围岩结构的内圈层以及外圈层都不具备良好的稳定性，在进行巷道支护工作中存在较大的困难[2]。在区域内由于煤层节理发育不正常，其透气性较好、孔隙度较高，在煤层附近的顶板岩层已经达到了5.2～20.0 MPa的单向抗压强度，其吸水率以及内摩擦角分别为99%和28°左右。因此，在岩层的内部很容易有水进入，巷道极容易发生潮解和风化，如果巷道在空气中暴露，那么其强度下降会非常快，一开始围岩外面由于吸收水分逐渐变软，然后随着水分的不断吸收，逐渐发展成为流变，最后向围岩深处不断扩展。在巷道吸水不断软化的过程中，其体积会慢慢增加最后往自由面运动，如果封闭不够及时，这样的变形会持续下去，对正常的作业造成严重不良影响。

3.1 深部软岩巷道变形过程

由于处于软岩地层中，所以巷道在受力的时候会产生变形，严重情况下甚至会发生破坏，具体过程为：巷道的两帮逐渐靠近，两墙角不断收根，同时两肩发生崩皮、裂缝、底鼓现象，巷道断面逐渐收敛，顶板和底板逐渐靠近，最后造成巷道无法满足使用标准，需要进行返修。

3.2 深部软岩巷道变形原因分析

软岩巷道的底鼓现象是在多种物理因素的共同作用下产生的，是一个非常复杂的力学和物理学变化过程，主要和软岩的围岩应力状态、力学以及物理学的特性有很大关系，巷道底鼓现象的产生与软岩的弯曲、膨胀、流变以及扩容都有一定的关联。

4 巷道支护形式的分析

此次选取的梁家煤矿由于是位于煤2层和煤4层中，因此针对巷道的支护形式采用的是复合支护。复合支护指的是采取两次支护，采用锚网喷为一次支护，采用料石碹或者混凝土灌注为二次支护[3]。在回采巷道支护中一般采用的是锚网喷联合锚梁的支护形式和锚网喷的支护形式：选取的锚杆为圆钢锚杆，规格为Φ14mm×1900mm，选取规格为Φ35mm×250 mm的水泥药卷，对端头进行端头锚固，保持锚杆间排距在600～800 mm之间；采用规格为Φ4 mm的冷拔钢筋网作为金属网；初次喷厚70 mm，后期喷厚在100～120 mm之间；锚梁采用的是U25型钢加工，锚梁的长度在2.0～3.2 m之间，间距和矢高分别为1 000 mm和400 mm左右，巷道的施工方法主要有两种，一种为综掘机掘进法，一种为爆破掘进法，在当前的回采巷道中通常采用综掘机掘进法。

在煤2层采用上面介绍的支护方式一般都较为成功，但是在煤4层却不一定适用，这是因为煤4层所具备的结构更加复杂，所在的煤层水平更深。所以，直接套用煤2层的回采面顺槽支护方式应用在煤4层的回采面顺槽中是不可取的。

5 煤4层的回采巷道支护方案分析

5.1 支护方案的选择

由于煤4层的巷道围岩特点的不同，在进行支护形式的选择时要注意以下两个要点：第一，确保支护工作能够及时进行，避免支护不及时导致支护工作无法顺利开展或者没有支护效果，对围岩要及时禁锢，避免围岩发生较大的形变，提高围岩自身的承载能力，确保巷道支护工作的顺利开展，保证支护工作的施工安全[4]。第二，确保支护体能够对抗原岩应力，因此要求支护体具备较高的强度，能够满足对抗原岩应力的要求，确保支护工作满足支护要求。

5.2 支护形式的选择

结合龙口矿区区域下组煤的巷道支护实际情况，对煤4层回采巷道支护工作的相关要求进行分析，煤4层的上下顺槽巷道的施工底板送巷，通常都是选择4层到6层底板上方的0.5 m处。但是由于和下组煤回采巷道是第一次接触，因此采用的支护方式为：上组煤采用直墙半圆拱或者直墙三心拱断面，支护形式采用的是锚网喷与锚梁联合支护的形式。选择了两种支护参数，分别如下：第一，采用规格为Φ14 mm×1 900 mm的圆钢锚杆，在全断面都有布置，采用的水泥药卷规格为Φ35 mm×250 mm，间排距为650 mm×650 mm，端头锚固，采用的冷拔钢筋网的规格为Φ4 mm；第一次喷厚为70 mm，最终喷厚为120 mm；支护采用的锚梁长为3 m，锚梁之间的间距为1 000 mm，锚梁固定锚杆采用的锚杆规格为Φ18mm×2250mm，采用的树脂药卷规格为Φ35mm×400 mm，端头锚固[5]。第二，顶板采用的锚杆规格为Φ18 mm×2 250 mm，树脂药卷的规格为Φ35 mm×400 mm，端头锚固，锚杆的间排距为650 mm×900 mm，将其与锚梁锚杆之间呈交错状，每个锚梁之间的间距为900 mm，采用的钢筋焊接网规格为Φ6 mm；两帮采用的锚杆规格为Φ14 mm×1 900 mm，使用的水泥药卷规格为Φ35 mm×250 mm，端头锚固，每个锚杆之间的间排距为650 mm×650 mm，采用的冷拔钢筋网的规格为Φ4 mm。另外，针对涌水影响以及断层影响的地段，还需要采取料石反底拱支护措施，这样能够使支护方式形成全断面封闭式的形式，提升支护效果。

5.3 煤4层回采巷道支护方案的实际应用

在煤4层的三个回采工作面顺槽巷道中应用了上述的煤4层回采巷道支护方案，取得了较好的支护效果，直至将采煤专业回采交付之前，都没有大规模返修情况的出现。

6 结论

1）如果软岩巷道的围岩没有被支护，那么在顶板、两帮以及顶角处都会发生围岩变形，并且在两帮和围岩顶板处还存在有较大的塑性区。因此针对软岩巷道围岩，主要是要将拱顶、两帮、拱顶两角等关键部位进行控制。

2）在软岩巷道的支护工作中，采用锚喷网支护技术主要是能够将巷道顶板、两帮以及顶角处的位移量进行控制，不但使巷道塑性区的延伸厚度得到极大减少，并且使巷道围岩的稳定性得到有效保证，从而使矿井的生产得到安全保障。

3）在深层软岩巷道支护方案的选择以及参数的设计过程中，可以通过工程经验法、理论分析法以及工程类比法来对方案的选择和参数设计提供依据，另外为了使支护参数更加科学、支护方案更加合理可以采用数值模拟技术，除此以外，此技术还能够进一步补充验证巷道加固的效果，使锚杆支护设计的科学性、有效性、合理性得到保证。

4）对煤4层巷道支护形式进行了改革，不但降低了巷道的返修率，同时节约了巷道的支护成本。据统计，采用此支护方案减少896 m左右的返修工程量，而巷道的成本大概在1 330元/m，因此此支护方案大约为矿井节约了119.17万元的资金，此次项目中采用的支护形式非常的合理，不但在掘进单进方面具有非常大的提高，并且收获的经济效益和社会效益也非常好。