“三软”煤层巷道围岩变形特征及支护参数优化

王 平

（河南神火兴隆矿业有限责任公司，河南 许昌 461000）

0 引 言

煤矿生产过程煤巷占到了巷道总长度的80%左右。与岩巷相比，巷道布置在煤层中，掘进较容易，常用综掘。但支护与维护随煤层变软增厚难度加大，煤的强度（普氏系数） 较低，煤巷多为矩形或梯形断面。煤巷中回采巷道最多，受采动影响，矿压显现剧烈。其中，巷道掘进过程中还会遇到断层、陷落柱、围岩裂隙等地质构造，使巷道围岩所处地应力场产生相应变化，致使整层煤体破裂，支护难度较大。所以在支护设计中，回采巷道大多采用“U”型钢或工字钢等架棚支护，但是支护效果不理想，适应变形能力及安全性差、成本高，后期的生产过程中需要经常维护和返修，增加了巷道维护费用，而且增大员工劳动强度，严重影响矿井的持续和高产高效生产。

1 “三软”厚煤层巷道特点

泉店煤矿回采的1508 工作面，矿区内开采的煤层属“三软”煤层。开采过程中表现出结构松散复杂、裂隙（缝） 更多、强度低、可塑性大等特征。在松软厚煤层，采掘工作面液压支架的运输和安装需要更大的空间，常规综采工作面安装前通常采用掩护方式支撑巷道二次收敛变形，直到安装段结束，该巷道的安全性较差，支护效果也不明显，并且回收金属支架和运输支架的工作繁重且危险。研究“三软”厚煤层回采巷道支护技术，确定合理的支护形式和支护参数，对控制围岩巷道变形及应力具有重要的现实意义。由于“三软”厚煤层特殊的赋存环境，回采巷道掘进及支护非常困难，不仅要考虑安全可靠的施工工艺，而且要保障综采设备的安全高效安装。

2 巷道围岩结构观测

岩体中存在许多不连续的力学- 结构界面，使整个岩体表面和岩体的力学结构性质发生变形和破坏。此外还分析了该种力学性质对岩体力学结构性质测定的影响，及其他岩体的结构材料。

2.1 现场监测设备

在煤壁的钻孔上使用窥视仪器可以观察到不连续面的分布，来检测煤岩结构的纤维钻孔机，其主要有2 种类型，光纤钻孔设备和激光电子光纤。考虑到电子地质探矿的技术优势，利用小型大孔径的地质全景观测电子地质窥视仪，可以观测大型煤矿的地质构造。对结构原理有更精确和直观的理解。方便快捷的安装操作、直观的数据输出和显示效果，克服了传统自动取芯方法的不足。

2.2 现场结果分析

综合分析钻孔施工进程中的水样数据与地质资料，得出煤壁钻孔观测的结果，如图1 所示。顶板以上0～5.2 m 为5 号煤，黑色发亮，但有少量的夹矸。5.2～12.5 m 为细砂岩和粉砂岩相混合的岩石，岩层呈灰黑色，其中7.9～8.4 m 为粉砂岩，8.4～10.3 m 为细砂岩，岩层结构较为完整，10.1 m处为明显的横向裂隙，10.3～12.5 m 为粉砂岩，裂隙较为发育，完整性差。12.5～16.9 m 为粗粒砂岩，岩层呈灰白色，钙质胶结，有少量的泥岩夹层，其中12.5～15.5 m 岩层完整，15.6～16.5 m 有多处泥岩夹层。16.9～21.0 m 为泥岩和砂岩混合岩，岩层为深灰色，夹泥质，其岩层结构较为完整。根据对岩层结构的观测，其顶板以上12.5～16.9 m 的岩层结构较为完整。

图1 煤帮结构观测影像Fig.1 Observation image of coal wall structure

通过分析煤帮结构观测结果，煤帮开口处0～1.3 m 煤体裂隙发育，1.3～3.3 m 煤体完整，3.3～5.2 m 煤体有少量微裂隙，发现煤帮的浅部存在弱面，煤帮的深部煤体比较完整。

顶板岩层结构钻孔观测结果如图2 所示。通过分析钻孔施工进程中的水样数据与地质资料，可以得出煤壁钻孔观测的结果。4.0～8.0 m 是细砂和粉砂的混合物砂岩，其岩层为深灰色和灰黑色，其中4.0～5.0 m 为粉砂岩，岩层较为完整；5.0～5.3 m为细砂岩，岩石结构完整；5.3～8.0 m 为粉砂岩，6.2～6.5 m 较发育。8.0～16.7 m 为粗粒砂岩，其岩层为灰白色，其中介于8.0～8.4 m 为粉砂岩层，该段岩层较为完整；16.7～21.0 m 为泥岩和砂岩混合层，岩层呈深灰色，泥质胶结，该段结构较完整。顶板以上13.9～16.0 m 岩层结构观测相对完整。

图2 顶板岩层结构观测影像Fig.2 Observation image of roof strata structure

通过窥视可看出煤帮浅部0～1.3 m 煤体完整，煤帮1.4 m 和煤帮1.9 m 有明显横向裂隙，煤帮2.9～4.0 m 裂隙发育，完整性较差。可看出煤帮浅部存在弱面，煤帮深部煤体比较完整。

3 巷道原有支护方式

3.1 巷道支护参数

3.1.1 顶板支护参数

锚杆间排距为1 000 mm×1 500 mm，每排4根锚杆，中间垂直于顶板；锚固方式采用树脂加长锚固，采用高强度截面托盘，120 mm×120 mm×10 mm，材质是厚钢板；网片规格为10 号铁丝编织的菱形状金属网，宽×长为1 000 mm×3 500 mm，网眼直径50 mm×50 mm。锚索间距1 500 mm×3 000 mm；钢绞线锚索18.9 mm，总长7 300 mm，外露250 mm；采用树脂卷的端部锚固。

3.1.2 巷帮支护参数

回风巷道锚杆水平间距为1 500 mm，锚杆垂直间距1 000 mm，每排打入3 根锚杆，上端留600 mm，下部留600 mm；采用左旋螺纹钢（强度不详） 树脂锚杆，规格是18 mm×1 800 mm；使用2个 Z2360 树脂药卷固定端头； 筛网采用HBPP25-25MS 两向拉伸塑料筛网，宽×长为2 000 mm×2 500 mm，筛孔尺寸为50 mm×50 mm。对于此类型巷道变形会有严重损害，此时采取架设连续的11 号工字钢棚，架棚密度15 m 左右用于支护。支护断面如图3 所示。

图3 1508 回风巷支护断面示意Fig.3 Support section of 1508 air return roadway

3.2 巷道变形监测

对1508 回风巷顶板位移和两帮变形进行监测，布置2 个测点，分别为1 号和2 号。监测周期为20 d，分析监测数据，绘制如图4、图5 的顶板下沉和两帮变形特征。

图4 1508 回风巷顶板下沉特征Fig.4 Roof subsidence characteristics of 1508 air return roadway

图5 1508 回风巷帮变形特征Fig.5 Deformation characteristics of 1508 air return roadway side

监测结果显示，顶板累计下沉量接近18.11 cm，在为期20 d 的观测中，最大沉降速率为6.69 cm/d，但最终沉降速率稳定在0.05 cm/d；巷道两帮的变形量是支护的难点和重点，监测两帮累计变形量约56.78 cm，最大收敛速度是23.65 m/d，最终的收敛速率不超过0.03 cm/d。

4 “三软”煤层巷道围岩破坏机理

在原始岩石中开挖巷道，重新分配顶板应力后，顶板应力必然在两个方向上发生变化，这两个方向分别是垂直应力和水平应力。

自稳隐形拱理论认为，无论是塑性破坏还是断裂破坏，当遇到挤压力时，它仍然具有一定的承载能力。该承载力可满足围岩承载力的基本要求，所以，在对巷道支护分析时，不要对塑性变形区进行过多的理论研究，而要关注顶板和底板的拉伸应力区。如图6 巷道顶板趋于划分。巷道顶板存在潜在的巷道拉应力危险单元体，但破坏岩体受挤压力，有时不做过多的安全隐患考虑。

图6 巷道顶板划分Fig.6 Roof division of roadway

根据上述论点，围岩巷道顶板中的单元体，由具有较大拉应力的单元体构成，具有潜在的危害。如图7 所示，围岩的不稳定区划分，椭圆形曲线是顶板内拉应力比较大的单元体区域，将此椭圆曲线称为“自稳隐形拱”。

图7 巷道围岩的不稳定区域Fig.7 Unstable area of surrounding rock of roadway

5 围岩支护参数优化及设计

对拱形巷道锚杆（索） 进行支护参数设计，如图8 所示。

图8 改进后的支护参数设计Fig.8 Improved support parameter design

顶板锚杆使用20 mm×2 500 mm 型左旋螺纹钢，间距为900 mm×1 000 mm，数量为5。巷道顶板锚杆与顶板夹角80°，锚固长度1 500 mm，预紧力为43 kN；巷道两侧的帮部各布置3 根同顶板一致锚杆，间排距是1 200 mm×1 000 mm，上部锚杆与巷帮垂直方向夹角15°，锚固长度600 mm，预紧力为30 kN；托盘是120 mm×120 mm 的铁托盘结合+300 mm×200 mm×50 mm 木托板组合；网片是40 mm×40 mm 的菱形10 号铁丝网材质。锚索材质为18.9 mm×8 300 mm 的低松弛钢丝绳，间排距3 200 mm×2 000 mm，锚固长度为1.5 m，预紧力为100 kN。

6 结 论

由现场数据结合理论分析，总结出“三软”厚煤层巷道变形破坏机理分析，基于“自稳隐形拱理论”的“三软”厚煤层巷道稳定性控制，主要为以下3 点。

（1） 现场围岩结构观测显示顶板浅部是泥岩松软、节理裂隙发育；煤帮的浅部存在弱面，煤帮的深部煤体比较完整。

（2） 围岩变形特征观测结果显示，顶板下沉34.82 cm，两帮变形50.90 cm。现场巷道围岩的变形特征更加明显，围岩的整体稳定性不太理想。

（3） 基于“自稳隐形拱”理论的围岩自稳原理，通过改变断面几何形状提高围岩自稳能力，从而降低矿压作用对支护结构的不必要荷载。