頂板砂巖含水“三軟”破碎煤層小煤柱護巷技術研究

林 健，范明建，胡 濱，王海春，騰慶山

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013;2.中國國電集團公司煤炭與化工管理部，北京100034;3.內蒙古平莊能源股份有限公司風水溝煤礦，內蒙古赤峰024081)

內蒙古平莊煤業集團風水溝煤礦是我國典型的軟巖礦井之一，主采煤層頂底板巖層均屬于軟巖。其中，煤層頂板以砂巖為主，膠結性極差，揭露后往往形成流沙，單軸抗壓強度在5MPa以下。煤層直接底以泥巖或泥質砂巖為主，含大量蒙脫石等，膨脹性強。在回采超前壓力影響下，巷道出現大范圍破壞，主要表現為圍巖大范圍整體移近，兩幫移近量1m左右，尤為嚴重的是巷道出現嚴重的底鼓現象，底鼓量在1.5～2.0m左右，導致巷道大范圍復修、起底，嚴重影響了回采工作面的正常生產。目前風水溝礦煤巷支護形式有金屬棚支護、錨網支護及U型鋼+錨網聯合支護等多種形式，在治理底鼓方面還采取金屬反拱等支護措施。但這些支護方式均未達到預期的效果，極軟圍巖條件下巷道支護問題仍未得到有效地解決。

本文采用巖性分析、地質力學現場測試、煤巖體可錨性試驗、支護設計、礦壓觀測等綜合手段，對風水溝煤礦頂板砂巖含水“三軟”破碎煤層小煤柱護巷技術進行了綜合研究，采用預應力全長錨固支護的方式成功支護了巷道［1］。

1 試驗地點地質與生產條件

試驗地點為風水溝煤礦5－1A西七片一分層回風巷。巷道埋深在421～435m左右。該巷道上幫臨近5－1A西六片工作面采空區，煤柱尺寸為6～8m。本開采煤層為5－1A煤層，最大厚度5.6m，最小厚度為4.45m，平均煤厚4.5m。5－1A煤層結構復雜，有夾矸0～3層，夾矸單層厚度在0.01～0.36m之間，煤層層理發育，傾角6～14°，平均10°，重力密度12.84kN/m3。

5－1A煤層頂板主要為細砂巖，松散含水，易冒落。底板主要為細砂巖，砂巖膠結性差，松散含水。5－1A西六片一、二分層回采后采空區也會積水，預計積水量67200m3，工作面掘進時必須要先進行探放水，預計掘進時最大涌水量為20m3/h。

2 地質力學現場測試及巖性分析

2.1 地質力學現場測試［2］

2.1.1 鉆孔窺視

為了解5－1A煤層頂板巖性及節理裂隙分布情況，在5－1A西七片一分層回風巷采用鉆孔窺視儀對頂板進行了窺視。窺視結果顯示:0～1.2m為煤，黑色，較破碎，0.8m處有50mm左右夾矸，局部裂隙發育，暗煤為主，局部夾亮煤。1.2～2.8m為泥巖，灰黑色，泥質膠結，局部有橫向裂隙，1.5m處為破碎帶，巖層完整性較差。2.8～21m為細砂巖，巖層膠結性較差，且巖內含有大量水分，灰白色到灰色，泥質膠結，離層發育，局部有泥巖夾層。

2.1.2 圍巖強度測試

為了解5－1A西七片一分層回風巷頂板和兩幫煤巖體強度，采用WQCZ－56型圍巖強度測試裝置對巷道煤幫孔10m范圍內煤體和頂板以上10m范圍內巖石進行巖體原位強度測試，測試結果如圖1所示。

圖1 巷道圍巖強度測試曲線

從測試結果可以看出，5煤平均抗壓強度為17.42MPa;泥巖平均抗壓強度15MPa左右，頂板砂巖含水量較大，強度大部分集中在5～8MPa之間。

2.1.3 地應力測試

采用SYY－56型水壓致裂地應力測量儀進行了地應力測量。測量結果為:最大水平主應力為8.25MPa，方向為N37.3°W;最小水平主應力為4.29MPa，垂直主應力為10.22MPa。

2.2 底板巖性分析

采用X射線衍射分析方法分別對5煤頂底板巖石進行了黏土礦物含量分析。分析結果顯示，5煤底板泥巖黏土成分含量67.8%，其中蒙脫石絕對含量38.65%;5煤底板砂巖黏土成分含量30%，其中蒙脫石絕對含量9.3%;5煤頂板泥巖黏土成分含量38.5%，其中蒙脫石絕對含量26.56%;5煤頂板砂巖黏土成分含量35.5%，其中蒙脫石絕對含量18.11%?？傮w來說，泥巖中的黏土礦物成分含量普遍大于砂巖中的黏土礦物含量。

基于高嶺石的遇水軟化特性和蒙脫石的遇水強膨脹性可知，風水溝煤礦巷道圍巖都有明顯的遇水膨脹和遇水軟化特性，通過圍巖強度原位測試結果也可以驗證該結論。根據現有研究資料，蒙脫石含量超過8%就對膨脹黏土的脹縮性產生很大影響，所以風水溝煤礦5煤頂底板均具有明顯的遇水膨脹性，其中5煤底板泥巖遇水膨脹特性最明顯。

3 煤巖體可錨性試驗

強度低、膠結性差、可錨性差是軟巖巷道圍巖的基本特性。圍巖的可錨性試驗是巷道進行錨桿支護設計的基礎工作，特別是對于高預應力強力錨桿錨索支護系統，圍巖的可錨性是關系到錨桿支護是否成功的關鍵。根據巖性分析和地質力學測試結果推斷，風水溝煤礦5煤煤巖體的可錨性較差。為了解頂板巖層和破碎煤體的可錨性，在進行支護設計前對風水溝煤礦5煤煤層和頂板分別進行了錨桿、錨索的可錨性試驗。實驗采用φ22mm，1×19股錨索和φ22mm，2400mm長左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。錨索錨固力試驗結果表明，由于頂板砂巖含水，錨索孔在成孔后最大水量達到5.93×105mm3/min，采用6000mm長錨索錨固力達到200kN(設計預緊力)的僅占24%左右，無法保證錨索施工質量。而采用長度為4000mm的錨索，由于錨固在含水量較少的砂巖和泥巖中，錨固力基本上均可達200kN以上;小煤柱側煤幫錨索錨固力僅達100kN左右，工作面側煤幫錨索基本可達200kN;錨桿錨固力試驗表明，除小煤柱側底腳錨桿由于孔內有水流出，73kN就拉出外，其余錨桿均可達到錨桿的屈服載荷 129kN［3］。

4 支護理念

根據風水溝煤礦頂板砂巖含水“三軟”破碎煤層小煤柱護巷條件，提出以下支護理念:

(1)自承拱理念 根據風水溝煤礦小煤柱護巷煤體松軟破碎條件，在進行巷道斷面形狀選擇時，在滿足生產要求的前提下應優先考慮采用自穩能力、承載能力強的拱形斷面，增加圍巖自穩性。

(2)強力護表理念 松軟破碎煤巖體采用錨桿支護時，錨桿間的煤巖體極易出現破碎，在巷道表面形成“網兜”現象，大大弱化了錨桿的支護效果。因此，在選擇護表構件時，應選擇剛度、護表面積大的構件，強化護表能力［4－5］。

(3)全長高預應力錨固理念 對于松散破碎煤巖體，不僅要限制煤巖體的離層、剪脹，更重要的是嚴格限制煤巖體的錯動、滑移等結構失穩。因此，錨固系統不僅要實現較高的預應力，同時還要采取全長錨固的支護理念［1，4－6］。

(4)支護系統相互匹配理念 不匹配的支護系統易造成“多米諾骨牌”效應，最終導致整個支護的失敗。因此，支護系統應在各方面達到合理匹配，包括各構件強度之間的匹配，預應力與錨固方式、錨桿與錨索強度的匹配，錨桿與錨索的匹配，錨桿預應力與錨索預應力的匹配等。

(5)錨固層位選擇理念 煤系地層由于特殊的沉積環境，造成煤巖體分層明顯，具有獨特的層狀結構，各層在強度、含水性、節理發育程度、弱化方式等方面差異顯著。選擇具有較好錨固性能的層位作為錨桿、錨索的錨固基點，是關系錨桿支護能否取得成功的關鍵之一。

5 巷道斷面優化

風水溝煤礦回采巷道一般采用梯形斷面，根據自承拱理念，本設計采用自穩能力、承載能力強的直墻半圓拱斷面，2種斷面的支護效果如圖2所示。從圖2中可以看出，在梯形斷面的頂板兩邊壓應力值較小，容易發生拉剪破壞。而拱形巷道在周邊形成厚度均勻的壓力區，基本無薄弱環節?？紤]到掘進過程中設備尺寸、通風要求和巷道圍巖變形預留量，設計風水溝煤礦5－1A西七一分層回風巷掘進斷面尺寸:巷道斷面呈直墻半圓拱形，寬3.8m，墻高1.2m，掘進斷面積為10.23m2。

圖2 2種巷道斷面的承拱效果應力

6 支護設計方案

根據系統的測試和分析，確定風水溝煤礦5－1A西七片一分層回風巷采用樹脂全長預應力錨固錨桿錨索組合支護系統進行支護。

6.1 錨桿支護

采用屈服強度為335MPa，桿體為22號左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4m，桿尾螺紋為M24，螺紋長度150mm，配套高強錨桿螺母、高強托板調心球墊、尼龍墊圈、拱型高強度托盤。采用3支低黏度錨固劑全長預應力錨固，錨桿全部垂直巖面打設。采用W鋼護板和鋼筋網護頂護幫。錨桿排距900mm，每排11根，錨桿預緊力距不小于400N·m。

6.2 錨索支護

錨索采用φ22mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度4300mm，全長預應力錨固。先采用低黏度樹脂藥卷錨固，張拉后對剩余段注水泥漿錨固。錨索托盤采用300mm×300mm×16mm高強度可調心托板及配套鎖具。每1800mm打3根錨索，錨索間距1275mm，垂直頂板巖層，錨索預緊力200～250kN。

5－1A西七一分層回風巷支護布置如圖3所示。

圖3 5－1A西七一分層回風巷支護

7 支護效果分析

在掘進期間，巷道表面位移在距迎頭90～100m以后趨于穩定。巷道由掘進到穩定，兩幫移近量最大值為75mm，為巷道初始寬度的1.97%。頂板下沉量最大值為140mm，底鼓量最大為40mm。

在回采期間，巷道底鼓顯著，所有測點的平均底鼓量為719mm，最大底鼓量達到1167mm(5號測點)。在距工作面40～50m范圍內，底鼓量增加速度明顯加快。頂板下沉量相對較小，平均頂板下沉量為150.1mm，最大頂板下沉量為261mm，最小頂板下沉量為59mm。兩幫移近均以煤柱側幫的移近為主。煤柱側幫最大移近量為850mm(5號測點)，最小移近量為15mm(1號測點)，平均移近量為388.9mm;工作面側幫最大移近量為427mm(10號測點)，最小移近量為52mm(1號測點)，平均移近量為213.4mm。

巷道變形曲線見圖4。

圖4 回采期間巷道變形曲線

8 經濟效益分析

風水溝煤礦5－1A西七片一分層工作面回風巷原支護采用錨桿錨索、架設工字鋼棚聯合支護，錨桿排距800mm，棚距1000mm。根據風水溝煤礦提供的材料計劃價，原支護巷道支護材料費為2586.8元/m。采用高預緊力全長錨固錨桿錨索支護，巷道支護材料費為2170元/m，支護材料費用降低了416.701元/m，同時新的錨桿支護形式對錨桿的間排距進行了放大，提高了巷道掘進速度。

9 結論

(1)巷道圍巖強度低、膨脹性黏土礦物含量高、頂板砂巖含水量大及小煤柱護巷是導致風水溝煤礦5－1A西七片一分層工作面回風巷變形嚴重，支護難度大的主要原因。

(2)針對頂板砂巖含水“三軟”破碎煤層小煤柱護巷條件，提出了自承拱、強力護表、全長高預應力錨固、支護系統相互匹配及錨固層位選擇等支護理念。

(3)采用預應力全長錨固錨桿支護系統，成功支護了頂板砂巖含水“三軟”破碎煤層小煤柱護巷巷道。在回采期間，巷道煤柱側幫平均移近量為388.9mm，頂板下沉量最大為261mm，基本杜絕了巷道維修，平均工作面推進速度達到7.5m/d。

(4)預應力全長錨固錨桿支護系統在頂板砂巖含水“三軟”破碎煤層小煤柱護巷巷道中的成功應用，為我國軟巖巷道支護提供了新的途徑。

［1］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術 ［M］.北京:煤炭工業出版社，2007.

［2］康紅普，林 健，張 曉.深部礦井地應力測量方法研究與應用 ［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(5):929－933.

［3］胡 濱，康紅普，林 健，等.風水溝礦軟巖巷道頂板砂巖含水可錨性試驗研究［J］.煤礦開采，2011，16(1).

［4］林 健.高強度高剛度強力錨固支護體系在深部高應力軟巖巷道的應用研究 ［J］.煤礦開采，2006，11(6):59－62.

［5］林 健，范明建，司林坡，等.近距離采空區下松軟破碎煤層巷道錨桿錨索支護技術研究［J］.煤礦開采，2010，15(4):45－62.

［6］康紅普，王金華，林 健.煤礦巷道支護應用實例分析 ［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(4):649－664.