“三軟”煤層差異化支護探索

張海江　王杰

摘要：鄭煤集團米村煤礦主要開采的二疊系山西組二1煤，屬典型的“三軟”不穩定煤層。受不穩定煤層賦存條件影響，煤巷支護以單一的被動支護為主，在高應力作用下，巷道往往陷入“前掘后修”、“屢修屢壞”的尷尬局面。文章在分析錨網、錨索支護作用原理的基礎上，提出了差異化支護方案。經工程實踐證明，該方案能針對不同地質狀態，采用不同支護手段，對癥下藥，有效控制了圍巖變形破壞，取得了良好的支護效果。

關鍵詞：“三軟”煤層；不穩定煤層；高應力；差異化支護；采煤 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD353 文章編號：1009-2374（2015）01-0147-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0074

1 概述

鄭煤集團米村煤礦位于鄭州礦區西北部，該礦內主要開采的二疊系山西組二1煤，該煤層厚度在0～37.8m之間，不僅厚度變化大，且受滑動地質構造影響，煤層組織疏松，煤層硬度系數f普遍小于0.8，煤層風化后手指滑過煤墻便會落下。煤層偽頂、直接頂及底板大多為強度較低的炭質泥巖、砂質泥巖、砂質頁巖等，屬典型的“三軟”不穩定煤層。

由于二1煤層賦存極不穩定，煤層厚度變化較大，長期以來我礦工作面煤巷布置普遍采用沿底掘進方式，支護方式一直以支架支護為主，煤巷支護方式由最初的木棚支護、礦工鋼棚等剛性支架發展到U型鋼可縮性支架。然而長期的工程實踐表明巷道掘出后往往陷入“前掘后修”、“屢修屢壞”的惡性循環，在高應力作用下，“三軟”煤層巷道掘出后卸荷迅猛，來壓快，巷道變形量、變形速率均很大，圍巖位移最大速度達到40mm/d以上，10～15d后巷道斷面收縮率達可達30%左右。如何解決支架損壞嚴重、巷道迅猛的變形的狀況，成為工程技術人員研究的課題。

2 “三軟”煤巷失穩機理分析

巷道圍巖巖性、圍巖應力及支護方式是影響巷道圍巖穩定性的三大要素。結合米村礦“三軟”煤層賦存條件及現有巷道支護方式，造成“三軟”煤巷失穩破壞原因主要有以下兩個方面：

2.1 煤層強度低、巷道圍巖壓力大

測試結果表明，米村礦二1煤層極為松軟，煤層強度普遍小于8MPa，風化后甚至不足1MPa。開采深度超過300m。若巷道埋深為300m時，上覆巖層平均密度按2500kg/m3計算，則理論上巷道所處鉛垂應力約7.4MPa。且大量實測結果表明，構造應力和采動應力往往數倍于原巖應力，若應力集中系數取2.0，則巷道圍巖鉛垂應力水平接近15MPa，遠遠超過煤體自身抗壓強度，極易在高應力作用下產生塑性流變。

同時，由于二1煤層賦存極不穩定，煤層厚度變化較大，煤巷沿底掘進時，巷道全斷面處于二1煤層中，雖然二1煤層頂、底板均為強度不高的砂質泥巖或泥巖，但其單軸抗壓強度也基本上是二1煤層的數倍，這樣在空間上就形成了“強—弱—強”的結構，支承壓力由頂板向底板傳遞過程中，松軟易流變的二1煤層像面團一樣向巷道內鼓出，普通金屬支架難以適應如此強烈的剪脹變形，加之現有支架抗側壓能力差，導致大量支架出現失穩、破壞。在該過程中由于巷道處煤層厚度的不同，便出現兩種較為典型的破壞形式：

第一種是當煤層厚度太大，巷道無法完全沿底掘進并撇有底煤時，巷道圍巖變形壓力作用于支架頂梁后，U型鋼支架柱腿逐漸鉆入底煤中。由于支架鉆底過程中帶動整個支架讓壓，雖然在鉆底初期支架頂梁與柱腿搭接處卡纜滑移并不明顯，但支架鉆底讓壓造成頂板進一步離層碎脹，作用于支架頂梁的載荷不斷增加，當支架鉆至硬底時頂梁便開始嚴重下滑，并最終造成卡纜崩斷、支架張嘴，支架承載能力急劇喪失。

第二種是頂煤較厚而巷道底板為巖石時，此時支架不易鉆底或鉆底量較小，這種條件下對常用的直腿半圓拱形支架而言，由于柱窩深度較淺底板巖體對支架柱腿約束力有限。在高應力作用下支架兩幫首先失穩、破壞并不斷內移，支架頂梁在頂板壓力作用下也向下滑動，當下滑量達到一定程度時導致支架頂梁折斷或支架卡纜崩斷造成搭接處“張嘴”，從而導致支架承載能力急劇喪失。

2.2 巷道支護設計缺乏針對性

受“三軟”煤層賦存條件影響，長期以來我礦煤巷支護一直以被動支護為主。無論是淺部采區還是深部采區，大家采取的支護手段、支護參數都差不多，支護設計往往缺乏針對性。而當巷道支護出現問題時，由于缺乏這方面的專門研究，大家往往應對不夠及時、有效，要么束手無策聽任其變形，要么精心設計的加固手段未能奏效，致使很多情況下現場工程技術人員無奈地看著巷道逐漸變形、失穩。

綜合近年來“三軟”煤巷支護狀況，當巷道出現大變形時大家所采取的方式也都是千篇一律，要么加大支護型鋼的型號，由25U提高至29U，再由29U更換至36U；要么是加大支護密度，支架最小棚距僅為400mm。由此可見，現有支護技術注重提高支護體的強度和剛度，而實際上支護體與巷道圍巖所形成的承載結構的強度和穩定性才是決定巷道維護狀況的關鍵。

3 錨網支護作用機理

在工程實踐中，一般條件下巷道掘出后巷道頂板巖層隨即出現撓曲下沉，頂板巖層離層、破裂的過程也是圍巖自承載能力逐步喪失的過程。因此，工程實踐中應采取措施避免頂板巖層出現離層、破裂，促使頂板圍巖保持始終一定的自承載能力。顯然采用單一被動支護無法達到這一目的，必須借助錨桿、錨索等主動支護手段來實現這一目的。

作為一種典型的主動支護方式，錨桿在實際支護過程中具有支護和加固兩種作用，并通過徑向錨固力和切向錨固力共同控制錨固范圍內巖體，使錨桿與圍巖聯合形成共同承載結構。

錨桿支護作用體現為：淺部巖體受到錨桿徑向作用力作用，巖體周圍壓力水平增高，并將不利于發揮圍巖強度的受力狀態轉化為增大巖體峰后強度的應力狀態，增大圍巖破壞后強度，減小巷道淺部巖體的應力降低范圍和深部巖體的應力集中現象。endprint

錨桿加固作用體現為：巷道圍巖巖體中存在大量的、分布迥異的層理、裂隙等結構弱面，錨桿的切向錨固力改善巖體弱面的力學性質，減小結構面之間的摩擦滑動，提高結構面的抗剪強度，改善巖體的力學性質，起到加固巖體的作用。

當巷道煤層厚度不大，巷道直接頂板為巖石時，頂板采用錨網支護能夠發揮頂板巖層的自承載能力，減小頂板下沉對幫部煤體的擠壓作用。

4 “三軟”煤巷掘進棚-索共同支護設計原理

而當回采巷道留頂煤沿底掘進時，錨桿對松軟煤體的加固作用并不明顯，巷道支護需依靠錨索將淺部被動支護形成的承載結構懸吊至深部穩定巖體上。將載荷作用下支護結構自身存在的危險截面，通過在合理位置施加一定大小的結構補償力，大幅度降低支護結構危險截面承受的應力，同時降低支護結構整體承受的應力，使得支護體的承載性能得以充分發揮，提高支護結構的整體穩定性及其承載能力。

5 “三軟”煤層差異化支護工程實踐

210051上付巷所處巖層主要為炭質泥巖、砂質泥巖、砂質頁巖，設計工程量500m，布置在二1煤層中；煤厚0～10m，平均煤厚4.6m，沿底掘進，巷道平均埋深約324m。與多條老巷立交、平交，受臨近空區及巷道的影響較大，容易造成應力集中。

該巷道初期采用U型鋼支護，掘進幾十米后，便發生破壞，采用U29型鋼支架修復，棚距0.5m，修復后巷道局部地段仍破損嚴重。如果仍采用原支護形式，必然造成巷道邊掘進邊修復的被動局面，不但影響巷道進尺，危及工人生命安全，而且還會造成嚴重經濟損失，因此必須改變原支護形式，根據不同的地質條件采用不同的支護形式和不同支護參數，以適合軟巖巷道特點的支護體系。

（1）當煤層厚度不大，小于3.0m時，巷頂為巖層時，采用錨網支護。錨桿選用Φ22mm左旋螺紋鋼，錨桿長度3.0m，錨桿間排距為800×800mm。（2）當頂板煤層厚度3～5m時，采用錨索-錨桿網耦合支護，頂部布置4根錨索，長度6～8m，確保錨索打至上覆穩定巖層1m；幫部仍采用3m錨桿支護，間排距0.8m。（3）當煤層厚度大于5m時，由于煤層較厚，選用錨索-棚來聯合支護。據支護結構補償原理知，支架危險截面為支架拱部60°～120°處，支架幫部距地面1.0～1.2m位置處，故使用14m2支架時，在支架兩幫各布置2根錨索，底部錨索距巷底1.2m位置處，錨索間距1200mm；拱部布置2根錨索，錨索間距2400mm，結構補償錨索規格為：直徑15.24mm，長度8.0m。每隔一棚打一排錨索，錨索使用U型鋼短節錨固支架。

6 支護效果

為了檢驗支護效果，在巷道中布置了圍巖位移監測點，每10天監測一次，經過半年來監測所示：巷道的頂板下沉量、兩幫位移量都不是很大，其中頂板的下沉量最大為150.9mm，兩幫位移量最大為140.5mm。由此可見，該差異化支護方案對不同的地質條件，采取針對性支護手段，提高了支護結構的整體性和承載能力，有效地控制了“三軟”煤層煤巷的變形破壞，保證了巷道的穩定和礦井的正常生產，同時節省了支護成本，具有廣闊的發展前景

7 結語

（1）根據不同巷道圍巖的不同狀態，分段采用不同支護方式，既保證了巷道的正常使用，又減少了人力物力投入，取得了明顯的經濟技術效益。（2）改善了“三軟”煤巷支護狀態，大力推行主動支護，合理降低支護成本，減輕工人勞動強度，提高支護質量，保障支護安全。為“三軟”煤巷差異化支護設計、施工、檢測及驗收提供依據，同時有利于“三軟”煤巷差異化支護技術進一步推廣應用。（3）隨著礦井向深部開采的發展，礦山壓力顯現更加劇烈，我礦“三軟”煤巷支護技術研究的成功實施，為今后礦井井巷支護和維修提出了新的途徑、新的思路，為煤礦長遠發展奠定了基礎，并取得了顯著的社會效益。

作者簡介：張海江（1988—），男，山西長治人，鄭煤集團米村煤礦助理工程師，研究方向：煤礦技術管理。

（責任編輯：蔣建華）endprint