开拓煤矿大倾角“三软”煤层巷道支护评价

武晋文

(阳泉煤业集团有限责任公司二矿，山西 阳泉 045000)

1 工程概况

1.1 地质概况

某煤矿202工作面开采二- 2煤层，该煤层厚度1.5～9.2m，平均5.6m，厚度变化较大。煤岩类型以半亮型及半暗型为主，含镜煤及丝炭条带，具不明显的线理状结构，沥青～弱玻璃光泽，内生节理不发育，中夹数层暗煤薄层，厚0.3～0.5m，其中：半亮型煤煤质软，易呈碎块及粉末状；半暗型及暗淡型煤煤质坚硬，呈块状。

该煤层直接顶为黑色泥岩，有滑面，含镜煤条带，与薄层状粉砂岩交替出现，平均3.51m，含植物化石碎片，节理发育，较软，易沿滑面及裂隙冒落，不易支护；伪顶为黑色泥岩、灰黑色～灰白色粉砂岩，含镜煤条带，厚度0～2.1m；顶板岩石按饱和抗压强度分类属软弱岩石，按软化系数分类属软化岩石。

煤层直接底为深灰、灰黑色细砂岩，中间夹灰黑色泥岩、粉砂岩，平均厚度3.2m；伪底为深灰、灰黑色泥岩与炭质泥岩交替沉积，岩石松散有滑面，厚度0～1.45m；老底为浅灰、深灰色砂岩，厚度5.35m。由于二- 2煤层顶底板岩石总体属极软～软岩类，其巷道容易发生冒顶或片帮，对掘进速度影响较大。

1.2 巷道围岩特性分析

(1)煤层的整体性较差。二- 2煤层层理发育较为明显，且内有数层软硬薄夹层交替出现，软夹层成粉末状、硬夹层成块状，掘进后巷道成形差。由于煤层软，易导致锚杆、锚索的锚固力达不到设计要求，尤其是随着巷道服务期的延长，其后期锚固力失效问题严重[1～2]。

(2)煤层顶板为复合软岩顶板，稳定性较差。二- 2煤层直接顶为黑色泥岩，有滑面与薄层状粉砂岩交替出现，不同岩层强度差异大可导致软弱岩层的脱层，易发生顶板冒顶事故。

(3)煤层及顶底板岩层倾角较大。由于倾角大，在自重应力的作用下岩层之间容易发生岩层错动，从而导致巷道顶板破碎，两帮片帮等现象。

(4)顶板裂隙水对巷道支护影响较大。由于顶底板岩性的泥质含量高，其遇水后将出现明显的岩石变软、泥化现象，巷道容易发生整体变形，尤其是底板底鼓严重。

(5)煤层表面风化碎裂。巷道掘进后，煤层表面受风化影响，强度将明显降低，易出现围岩碎裂现象。

2 原支护方式巷道稳定性分析

2.1 原锚网喷支护方式

原巷道支护采用锚网+锚索+喷浆联合支护形式[3]。

(1)锚杆支护系统。锚杆采用φ22mm×2 400mm左旋无纵筋普强锚杆，配置125mm×125mm×100mm穹形金属冲压垫片、半球垫、尼龙减摩垫片和M24快装螺母，外加200mm×200mm×60mm木托板。锚杆按间排距700mm×700mm矩形布置。每根顶锚杆使用1节CK2335和2节Z2360型树脂药卷锚固，帮锚杆使用2节Z2360型树脂药卷锚固。

(2)表面支护。采用φ12mm铅丝编织的菱形网，网孔规格30mm×30mm，网片采用长、短边搭接的连接方式，搭接长度为50mm。

(3)锚索辅助支护。采用φ17.8mm×7 300mm钢绞线锚索，每隔2.8m在巷道顶部打2根。锚索采用3节Z2360型树脂药卷锚固。锚索托板使用300mm×300mm×80mm木托板加200mm×200mm×16mm铁托板，铁托板中孔直径20mm。

(4)喷浆。巷道施工后对巷道进行喷浆处理，喷浆厚度不小于100mm。

2.2 原锚网喷支护方式稳定性评价

巷道在初次支护90 d后进行了第一次整体维修，第一个测点的观测时间为2017年9月。采用数理分析和数理统计的方法，对巷道顶底板移近量以及变形速度采用函数进行拟合。根据拟合函数在时间趋于无限大时进行分析，进而判断巷道的稳定性。其中顶底板移近量和顶底板变形速度观测分析如表1和图1。

表1 巷道顶板位移量及变形速度统计表

图1 巷道顶底板位移量及变形速度曲线

根据回归分析理论，采用最小二乘法[4～5]对巷道顶底板移近量曲线进行拟合[4～5]。

设巷道移近量函数的形式为：

u=AtB

(1)

两边取对数：

y=logu=log(AtB)=logA+Bt

(2)

设t=x，logA=C，得到线性函数：

y=C+Bx

式中：u——顶板下沉量，mm；

t——时间，d；

A、B——待定常数。

通过对实测数据的综合分析得知目前采用的锚网喷支护是不适宜的。图2反映了原巷道的基本变形情况。

图2 井下巷道整体变形图

3 原支护存在的问题

(1)锚杆的实际安装扭矩小，低锚杆预紧力不利于实现锚杆的主动支护作用。尽管《巷道掘进作业规程》中要求的锚杆安装扭矩为350N·m，但由于顶板锚杆钻机的输出额定扭矩仅为130N·m，从目前的施工准备来看，不借助辅助装置仅采用钻机施工实现350N·m的安装扭矩几乎是不可能的。

(2)木托盘对锚杆预紧力的施加和保持的负面影响很大。尽管木托盘的受力面积较大，但由于其抗压强度低，当围岩变形时木托盘就会产生低位让压现象，如图3，使得锚杆受力滞后且无法快速获得支护围岩所需的阻力(待其承力时，围岩已经变形很大)，造成围岩变形进一步增大，极大地影响了锚杆的初期工作效率(现场观察发现，巷道两帮的变形较大，但锚杆受力很低)。

图3 围岩应力和巷道变形特性曲线

从锚杆支护系统整体支护效果看，木托盘是支护系统中的薄弱点。由于煤质较松软，巷道掘进后的初期变形较大，所以控制住围岩的初期变形是巷道支护的关键之一。在初期系统受力时，原支护系统首先发生变形的为木托盘，当系统受力增大时木托盘易发生劈裂或铁托盘压入现象，支护系统受力迅速降低。当锚杆受力时由于初期变形大，巷道围岩裂隙向深部扩展速度加快，一段时间后很容易造成支护系统失效，锚杆支护系统将随巷道变形一起内移，巷道将出现整体变形。

(3)表面支护强度低，锚杆的外部支托条件很差。对于巷道表面破碎的松软煤巷，表面支护应作为支护的重点。巷道掘进后，通过采用高强度的表面支护配合锚网索及时支护，能有效地防止巷道表面破坏向深部发育，同时给支护系统提供良好的外部着力点，有利于锚杆预紧力的保持和锚杆支护系统的受力稳定或正常增加。

(4)针对性设计存在缺陷。原201工作面回采巷道支护设计仅为常规设计，适用于条件较为简单的情形，缺乏针对性的设计。通过现场锚杆受力及巷道变形观测情况，结合数值模拟分析结果，巷道左肩窝与右底角部位的围岩所受水平应力明显大于巷道其它部位，支护设计必须考虑到其受力特点。

(5)在围岩产生碎涨变形时，锚杆锚固力保持性能差，后期支护效率低。巷道围岩强度较低，特别是巷道两帮(煤层)，锚杆的后期锚固力降低明显，有的甚至完全丧失，所以必须采取措施保持锚杆、锚索的锚固力的长期稳定，确保锚杆、锚索受力不随时间的延长而明显降低。

(6)锚杆施加预紧力滞后时间长，无法做到及时支护。由于围岩初期变形较大，锚杆预紧力施加滞后不利于巷道围岩的稳定维护，严重影响锚杆的初期工作效率及最终工作效率。因此，必须选择快装锚杆及合适的锚固剂，实现及时早期支护。

(7)巷道底鼓量大，返修次数将随着时间延长增加。加强帮部支护强度，降低底鼓量。必要时对底板采取针对性治理措施。

4 结论

(1)根据围岩特性分析，煤岩层自身倾角较大、整体性较差；煤层顶底板为泥质软岩，在水或风的作用下强度急剧下降，该种“三软”围岩特性不利于巷道围岩的稳定维护。

(2)从受力的角度考虑，大倾角“三软”回采巷道在巷道肩窝和底板处为应力集中点，一般其应力集中区首先发生破坏，进而影响整个断面，诱发整体动态变形。

(3)通过对原巷道变形实测数据的回归分析可知，在时间趋近无穷大时，位移为发散的，而变形速度趋近于常数0.081，也就是说原巷道支护方式不能有效改变围岩的流变特性，变形速度不为零，围岩变形也就不会停止，直至巷道最终破坏失稳。

(4)从巷道围岩特性、力学特征及原支护系统巷道变形实测数据的回归分析可以看出，原有的支护方案在开采大倾角“三软”煤层回采巷道中是不适用的。