深部特軟煤層煤巷支護技術研究

劉鵬程

(西山煤電(集團)有限責任公司 西曲礦，山西 古交 030200)

·技術經驗·

深部特軟煤層煤巷支護技術研究

劉鵬程

(西山煤電(集團)有限責任公司 西曲礦，山西 古交 030200)

針對某礦深部特軟煤層11141回風巷道支護困難、變形大、整巷費用高的問題，分析了特軟煤層巷道變形破壞特征，提出了采用錨網索+高凸鋼帶+底角錨桿注漿加固的支護方案，該支護方式在提高頂幫支護穩定性的同時弱化了底鼓效應，有效解決了特軟煤層巷道快速掘進問題，取得了良好的技術經濟效果。

深部特軟煤層；巷道支護；錨網索；高凸鋼帶；注漿錨桿

1 工程地質條件

某礦11141回風巷屬于全煤巷道，位于一采區東翼，巷道標高約-480 m. 巷道斷面為不規則梯形，上頂寬4.2 m，下底寬5.654 m，左幫長2.7 m，右幫長3.7 m，巷道中部高為2.8 m，巷道毛段面積為14.42 m2，凈段面積為13.36 m2，該巷道掘進支護平行作業一次成巷。巷道采用錨網索加工字鋼聯合支護，錨索采用d17.8 mm×1 000 mm鋼絞線錨索，每根錨索配合4支樹脂藥卷，錨索間排距為1 400 mm×1 400 mm，錨索呈五花布置，錨網規格為4 200 mm×800 mm，網格大小為80 mm×80 mm；左右兩幫及頂梁間布置兩架鋼棚，棚間用木撐桿撐緊，兩幫椽桿間距250 mm. 該巷道在掘進施工期間會發生嚴重的變形破壞，尤其會產生大量級的底鼓，需要進行多次起底工作，整修巷道費用巨大，由于頂底板過大的收斂變形，為保持巷道斷面需求，需要在巷道中間增加木支撐，為人員行走帶來了不便。

2 特軟煤層巷道變形破壞特征及支護對策

2.1 巷道變形破壞原因

依據巷道所處工程地質條件及變形破壞監測，結合理論分析可知，11141回風巷變形破壞原因主要有：

1) 巷道圍巖所處的地質情況是造成巷道大量級變形破壞的主要原因。該煤層屬于強度低的特軟煤層，巷道支護難度系數達1.5～2.0，支護困難，因而變形量很大。

2) 底板弱化導致巷道底鼓量大，由于煤體強度低，在受到工程擾動及淋水影響后會發生軟化現象，底板弱化現象越嚴重，底鼓量也越大，底鼓量與底板弱化程度呈非線性增長關系。

3) 幫部弱化不合理。在巷道兩幫施工瓦斯抽放孔，抽放孔的施工造成巷道兩幫圍巖承載能力降低，將圍巖的應力峰值向深部轉移。巷道兩幫弱化則造成巷道頂底板的支承減弱，而頂底板變形可近似為簡支梁，在深部高應力環境下會產生較大的撓曲變形。

4) 支護方式不合理。巷道目前所采用的錨索加工字鋼支護與圍巖耦合程度低，問題主要為：錨索間排距較大，未形成錨索群支護體系，對于軟煤頂板未形成組合加固效應；而工字鋼支護屬于被動的點載荷支護，支護效果不佳；煤層及頂底板加固不足，在垂直應力的作用下易發生撓曲變形。

2.2 支護對策

1) 軟巖巷道具有復雜的受力變形特征，因此會出現變形大及支護困難的問題，針對軟巖巷道的支護，要確定軟巖變形力學機制及支護的時間與順序才能保證支護成功。

2) 對軟巖巷道支護應堅持以下原則：

a) 過程原則。巷道的變形與其相應支護方式是一個變化的過程，要對巷道變形有效控制就需要從復合型機制向單一型機制轉換，針對不同時期不同的變形特征采取不同的支護。

b) 塑性圈原則。塑形圈的出現可以降低巷道變形能量，減小其應力集中程度，改善圍巖應力狀態，將塑性圈厚度保持在一個合理范圍內，既能使圍巖變形能量得到釋放，又可以使圍巖保持一定強度，發揮其最合理的承載能力。

c) 關鍵部位支護原則。任何巷道的變形破壞都是由一個或幾個部位變形破壞開始，最終導致整個支護系統的失效，最先發生破壞的被稱為關鍵部位，也是巷道支護的關鍵區域。

一采區11141回風巷圍巖主要由砂質泥巖、泥巖及細粒砂巖構成，圍巖節理裂隙發育，無含水構造帶，施工用水導致圍巖吸水軟化。可通過控制施工用水、預留變形空間、錨網索鋼帶及底角錨桿來控制圍巖變形。

3 特軟煤巷支護設計技術研究

3.1 高凸鋼帶-預應力錨網索耦合支護作用機理

巷道的穩定性主要取決于圍巖的自承能力，圍巖的自承能力與圍巖巖性及其強度有密切關系。而錨桿(索)與鋼帶能夠改善圍巖的力學性質，增強其承載能力，使圍巖對變形有更好的適應性。

1) 錨桿(索)預應力作用。

工程實踐表明，軟巖巷道開挖后由三向應力狀態轉化為單向應力狀態，周邊圍巖發生塑性變形破壞，應力峰值向深部轉移，通過錨桿(索)預應力的施加可以增強圍巖的自承能力，保持圍巖的完整性，防止圍巖的離層。假設頂板為層狀結構，示意圖見圖1.

圖1 層狀結構巖體中錨桿作用示意圖

錨桿在h1和h2層中增加的抗剪力為：

(1)

式中：

n—每排錨桿數量，個；

α—錨桿排距，m；

B—巷道寬度，m；

f—巖層間摩擦系數；

P—錨桿預緊力，kN；

d—錨桿直徑，m；

τ—錨桿的抗剪強度，kN.

由式(1)可知，巖層間的抗剪力與錨桿預緊力及直徑成正比，對錨桿(索)及時施加預緊力可以有效約束巖層的離層及剪切錯動現象，使圍巖處于給定變形狀態，最大限度保持錨固范圍圍巖的完整性，取得良好的支護效果。

2) 高凸鋼帶作用機理。

高凸鋼帶主要材質為A3鋼材，其寬度W為130～140 mm，凸高h為10 mm，高度H為18～20 mm，長度L為2 000～5 000 mm，鋼帶孔撕裂載荷大于210 kN，承載能力大于220 kN. 該鋼帶延展性好，強度高，抵抗撕裂能力強，由于增加凸臺，在受到較大壓力時可以通過增大變形空間來調節壓力，高凸鋼帶示意圖見圖2.

L—長度 W—寬度 H—高度 B—凸臺寬度 L1—孔間距 d—孔徑圖2 高凸鋼帶示意圖

與M型、W型鋼帶相比較，高凸鋼帶的抗彎截面剛度較小，但W型和M型鋼帶因其厚度小而沿著應力集中程度最大的孔口撕裂，在巷道圍巖的不均勻變形過程中，這兩種鋼帶會因受力不均勻而加劇變形破壞，造成支護系統失效。高凸鋼帶寬度較小，保護面積也較小，但其厚度大，強度高，抵抗撕裂的性能好，單位保護面積的剛度大，尤其凸臺的存在能更好地適應軟巖巷道圍巖的不規則大變形。

3.2 煤巷底鼓的防治

軟巖的擴容、膨脹及流變是引起巷道底鼓的主要原因。在較大地壓及軟巖遇水膨脹的共同作用下會引起巷道底鼓變形，因此底鼓的治理要綜合考慮地壓、防治水及兩幫。

1) 軟巖具有遇水軟化的特征，而工作面積水主要為施工用水，因此要加強施工用水管理，減小其對軟巖的不利影響。

2) 巷道兩幫及底板頂角的圍巖強度低，容易發生塑性變形破壞，因而需要加強支護來提高圍巖的自承能力，減小應力集中程度，通過巷道底板注漿加固可以有效防止底鼓現象的發生，控制塑性區擴大。加固巷道幫角可以同時起到控制底鼓和兩幫圍巖位移的作用。

4 煤巷支護設計及施工

針對巷道現有施工技術水平及數值模擬研究，將巷道支護最終確定為錨網索+高凸鋼帶+底角錨桿注漿加固的支護方案。

1) 支護材料及參數。

錨桿選用d22 mm×2 500 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂錨桿及左幫錨桿間排距為650 mm×700 mm，右幫錨桿間排距為700 mm×700 mm，使用兩支K23350樹脂錨固劑端頭錨固，頂錨桿預緊力不低于8 t，幫錨桿預緊力不低于6 t.

錨索選用d18.9 mm×10 000 mm的鋼絞線錨索，外露長度為200 mm，間排距為1 400 mm×2 100 mm，每排布置2跟錨索，錨索采用兩支CK23350和兩支K23350樹脂錨固劑端頭錨固，錨索緊跟迎頭安裝，錨索預緊力不低于12 t.

錨桿托盤型號為30/140×20×140型高凸梯形托盤，鋼帶為三眼GDT30/140×20×2000型高凸梯形鋼帶，錨索托盤型號為30/140×20×400型高凸梯形托盤，鋼帶為兩眼GDT30/140×20×2000型高凸梯形鋼帶。

頂板金屬網選用d6 mm鋼筋，網片尺寸1 470 mm×910 mm，網格尺寸70 mm×70 mm，幫部選用網格尺寸為40 mm×40 mm的菱形鐵絲網，網片之間的搭接采用金屬絲扭接。

底角注漿錨桿采用d32 mm×2 500 mm的無縫鋼管，排距為700 mm，桿體布置有12個d6 mm的注漿孔，注漿孔呈三花布置，孔間距為200 mm.巷道支護示意圖見圖3.

圖3 巷道支護示意圖

2) 施工過程。

a) 按設計巷道斷面進行掘進施工并搭設臨時支護，使用2根單體液壓支柱，距離工作面小于0.3 m，支撐力不小于50 kN.

b) 緊跟工作面掛網施工頂部及幫部錨桿并施加預應力。

c) 利用錨索鉆機施工預應力錨索，預應力不小于12 t.

d) 施工底角注漿錨桿，打眼清孔后將無縫鋼管插入錨桿孔中，注漿材料采用普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.7∶1，注漿壓力為3 MPa.

5 礦壓監測

對巷道圍巖變形的觀測采用十字交叉法，在巷道的頂底板及兩幫中點布置A、B、C、D四個測點，測點布置見圖4，觀測結果見圖5.

圖4 測點布置圖

圖5 巷道斷面圍巖變形曲線圖

由圖5可得，在0～60 d巷道頂底板收斂速度大，達到6 mm/d，第60 d末收斂量達到360 mm，此后變形減緩，在第140 d變形達到穩定，最終頂底板收斂量為400 mm；兩幫收斂變形速度在0～30 d較大，達到4.5 mm/d，50 d后變形逐漸趨于穩定，兩幫最終收斂量為150 mm. 相比原支護方案，采用錨網索+高凸鋼帶+底角錨桿注漿加固的支護方案巷道頂底板及兩幫收斂量及收斂速度均顯著減小，巷道變形得到有效維護，取得了良好的支護效果。

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StudyonCoalRoadwaySupportTechnologyinDeepSoftCoalSeam

LIUPengcheng

Aiming at the difficulties in support, deformation and high cost of 11141 return airway in deep soft seam of a coal mine, the characteristics of deformation and failure of unusual soft seam roadway are analyzed. The method of cable anchor plus High protruding steel band plus floor anchor grouting reinforcement is adopted to improve the stability of the roof support and the bottoming heave is weakened meanwhile, which effectively improves the excavation in the soft coal roadway and obtains the technical and economic effect.

Deep soft coal seam; Roadway support; Bolt-mech-anchor; High protruding steel band; Grouting bolt

TD353

：B

：1672-0652(2017)07-0036-04

2017-06-01

劉鵬程(1987—)，男，山西古交人，2011年畢業于山西大同大學，助理工程師，主要從事井下采煤技術工作(E-mail)531115271@qq.com