深部特軟煤層煤巷支護(hù)技術(shù)研究

劉鵬程

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 西曲礦，山西 古交 030200)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

深部特軟煤層煤巷支護(hù)技術(shù)研究

劉鵬程

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 西曲礦，山西 古交 030200)

針對(duì)某礦深部特軟煤層11141回風(fēng)巷道支護(hù)困難、變形大、整巷費(fèi)用高的問(wèn)題，分析了特軟煤層巷道變形破壞特征，提出了采用錨網(wǎng)索+高凸鋼帶+底角錨桿注漿加固的支護(hù)方案，該支護(hù)方式在提高頂幫支護(hù)穩(wěn)定性的同時(shí)弱化了底鼓效應(yīng)，有效解決了特軟煤層巷道快速掘進(jìn)問(wèn)題，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

深部特軟煤層；巷道支護(hù)；錨網(wǎng)索；高凸鋼帶；注漿錨桿

1 工程地質(zhì)條件

某礦11141回風(fēng)巷屬于全煤巷道，位于一采區(qū)東翼，巷道標(biāo)高約-480 m. 巷道斷面為不規(guī)則梯形，上頂寬4.2 m，下底寬5.654 m，左幫長(zhǎng)2.7 m，右?guī)烷L(zhǎng)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(jìn)支護(hù)平行作業(yè)一次成巷。巷道采用錨網(wǎng)索加工字鋼聯(lián)合支護(hù)，錨索采用d17.8 mm×1 000 mm鋼絞線錨索，每根錨索配合4支樹(shù)脂藥卷，錨索間排距為1 400 mm×1 400 mm，錨索呈五花布置，錨網(wǎng)規(guī)格為4 200 mm×800 mm，網(wǎng)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(jìn)施工期間會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的變形破壞，尤其會(huì)產(chǎn)生大量級(jí)的底鼓，需要進(jìn)行多次起底工作，整修巷道費(fèi)用巨大，由于頂?shù)装暹^(guò)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(lái)了不便。

2 特軟煤層巷道變形破壞特征及支護(hù)對(duì)策

2.1 巷道變形破壞原因

依據(jù)巷道所處工程地質(zhì)條件及變形破壞監(jiān)測(cè)，結(jié)合理論分析可知，11141回風(fēng)巷變形破壞原因主要有：

1) 巷道圍巖所處的地質(zhì)情況是造成巷道大量級(jí)變形破壞的主要原因。該煤層屬于強(qiáng)度低的特軟煤層，巷道支護(hù)難度系數(shù)達(dá)1.5～2.0，支護(hù)困難，因而變形量很大。

2) 底板弱化導(dǎo)致巷道底鼓量大，由于煤體強(qiáng)度低，在受到工程擾動(dòng)及淋水影響后會(huì)發(fā)生軟化現(xiàn)象，底板弱化現(xiàn)象越嚴(yán)重，底鼓量也越大，底鼓量與底板弱化程度呈非線性增長(zhǎng)關(guān)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(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移。巷道兩幫弱化則造成巷道頂?shù)装宓闹С袦p弱，而頂?shù)装遄冃慰山茷楹?jiǎn)支梁，在深部高應(yīng)力環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生較大的撓曲變形。

4) 支護(hù)方式不合理。巷道目前所采用的錨索加工字鋼支護(hù)與圍巖耦合程度低，問(wèn)題主要為：錨索間排距較大，未形成錨索群支護(hù)體系，對(duì)于軟煤頂板未形成組合加固效應(yīng)；而工字鋼支護(hù)屬于被動(dòng)的點(diǎn)載荷支護(hù)，支護(hù)效果不佳；煤層及頂?shù)装寮庸滩蛔悖诖怪睉?yīng)力的作用下易發(fā)生撓曲變形。

2.2 支護(hù)對(duì)策

1) 軟巖巷道具有復(fù)雜的受力變形特征，因此會(huì)出現(xiàn)變形大及支護(hù)困難的問(wèn)題，針對(duì)軟巖巷道的支護(hù)，要確定軟巖變形力學(xué)機(jī)制及支護(hù)的時(shí)間與順序才能保證支護(hù)成功。

2) 對(duì)軟巖巷道支護(hù)應(yīng)堅(jiān)持以下原則：

a) 過(guò)程原則。巷道的變形與其相應(yīng)支護(hù)方式是一個(gè)變化的過(guò)程，要對(duì)巷道變形有效控制就需要從復(fù)合型機(jī)制向單一型機(jī)制轉(zhuǎn)換，針對(duì)不同時(shí)期不同的變形特征采取不同的支護(hù)。

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

c) 關(guān)鍵部位支護(hù)原則。任何巷道的變形破壞都是由一個(gè)或幾個(gè)部位變形破壞開(kāi)始，最終導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)的失效，最先發(fā)生破壞的被稱為關(guān)鍵部位，也是巷道支護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域。

一采區(qū)11141回風(fēng)巷圍巖主要由砂質(zhì)泥巖、泥巖及細(xì)粒砂巖構(gòu)成，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，無(wú)含水構(gòu)造帶，施工用水導(dǎo)致圍巖吸水軟化。可通過(guò)控制施工用水、預(yù)留變形空間、錨網(wǎng)索鋼帶及底角錨桿來(lái)控制圍巖變形。

3 特軟煤巷支護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

3.1 高凸鋼帶-預(yù)應(yīng)力錨網(wǎng)索耦合支護(hù)作用機(jī)理

巷道的穩(wěn)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(qiáng)度有密切關(guān)系。而錨桿(索)與鋼帶能夠改善圍巖的力學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)其承載能力，使圍巖對(duì)變形有更好的適應(yīng)性。

1) 錨桿(索)預(yù)應(yīng)力作用。

工程實(shí)踐表明，軟巖巷道開(kāi)挖后由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為單向應(yīng)力狀態(tài)，周邊圍巖發(fā)生塑性變形破壞，應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移，通過(guò)錨桿(索)預(yù)應(yīng)力的施加可以增強(qiáng)圍巖的自承能力，保持圍巖的完整性，防止圍巖的離層。假設(shè)頂板為層狀結(jié)構(gòu)，示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 層狀結(jié)構(gòu)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(shù)量，個(gè)；

α—錨桿排距，m；

B—巷道寬度，m；

f—巖層間摩擦系數(shù)；

P—錨桿預(yù)緊力，kN；

d—錨桿直徑，m；

τ—錨桿的抗剪強(qiáng)度，kN.

由式(1)可知，巖層間的抗剪力與錨桿預(yù)緊力及直徑成正比，對(duì)錨桿(索)及時(shí)施加預(yù)緊力可以有效約束巖層的離層及剪切錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，使圍巖處于給定變形狀態(tài)，最大限度保持錨固范圍圍巖的完整性，取得良好的支護(hù)效果。

2) 高凸鋼帶作用機(jī)理。

高凸鋼帶主要材質(zhì)為A3鋼材，其寬度W為130～140 mm，凸高h(yuǎn)為10 mm，高度H為18～20 mm，長(zhǎng)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(qiáng)度高，抵抗撕裂能力強(qiáng)，由于增加凸臺(tái)，在受到較大壓力時(shí)可以通過(guò)增大變形空間來(lái)調(diào)節(jié)壓力，高凸鋼帶示意圖見(jiàn)圖2.

L—長(zhǎng)度 W—寬度 H—高度 B—凸臺(tái)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(yīng)力集中程度最大的孔口撕裂，在巷道圍巖的不均勻變形過(guò)程中，這兩種鋼帶會(huì)因受力不均勻而加劇變形破壞，造成支護(hù)系統(tǒng)失效。高凸鋼帶寬度較小，保護(hù)面積也較小，但其厚度大，強(qiáng)度高，抵抗撕裂的性能好，單位保護(hù)面積的剛度大，尤其凸臺(tái)的存在能更好地適應(yīng)軟巖巷道圍巖的不規(guī)則大變形。

3.2 煤巷底鼓的防治

軟巖的擴(kuò)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(huì)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(qiáng)施工用水管理，減小其對(duì)軟巖的不利影響。

2) 巷道兩幫及底板頂角的圍巖強(qiáng)度低，容易發(fā)生塑性變形破壞，因而需要加強(qiáng)支護(hù)來(lái)提高圍巖的自承能力，減小應(yīng)力集中程度，通過(guò)巷道底板注漿加固可以有效防止底鼓現(xiàn)象的發(fā)生，控制塑性區(qū)擴(kuò)大。加固巷道幫角可以同時(shí)起到控制底鼓和兩幫圍巖位移的作用。

4 煤巷支護(hù)設(shè)計(jì)及施工

針對(duì)巷道現(xiàn)有施工技術(shù)水平及數(shù)值模擬研究，將巷道支護(hù)最終確定為錨網(wǎng)索+高凸鋼帶+底角錨桿注漿加固的支護(hù)方案。

1) 支護(hù)材料及參數(shù)。

錨桿選用d22 mm×2 500 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，頂錨桿及左幫錨桿間排距為650 mm×700 mm，右?guī)湾^桿間排距為700 mm×700 mm，使用兩支K23350樹(shù)脂錨固劑端頭錨固，頂錨桿預(yù)緊力不低于8 t，幫錨桿預(yù)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(zhǎng)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(shù)脂錨固劑端頭錨固，錨索緊跟迎頭安裝，錨索預(yù)緊力不低于12 t.

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

頂板金屬網(wǎng)選用d6 mm鋼筋，網(wǎng)片尺寸1 470 mm×910 mm，網(wǎng)格尺寸70 mm×70 mm，幫部選用網(wǎng)格尺寸為40 mm×40 mm的菱形鐵絲網(wǎng)，網(wǎng)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(wú)縫鋼管，排距為700 mm，桿體布置有12個(gè)d6 mm的注漿孔，注漿孔呈三花布置，孔間距為200 mm.巷道支護(hù)示意圖見(jiàn)圖3.

圖3 巷道支護(hù)示意圖

2) 施工過(guò)程。

a) 按設(shè)計(jì)巷道斷面進(jìn)行掘進(jìn)施工并搭設(shè)臨時(shí)支護(hù)，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(wǎng)施工頂部及幫部錨桿并施加預(yù)應(yīng)力。

c) 利用錨索鉆機(jī)施工預(yù)應(yīng)力錨索，預(yù)應(yīng)力不小于12 t.

d) 施工底角注漿錨桿，打眼清孔后將無(wú)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(jiān)測(cè)

對(duì)巷道圍巖變形的觀測(cè)采用十字交叉法，在巷道的頂?shù)装寮皟蓭椭悬c(diǎn)布置A、B、C、D四個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖4 測(cè)點(diǎn)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?shù)装迨諗克俣却螅_(dá)到6 mm/d，第60 d末收斂量達(dá)到360 mm，此后變形減緩，在第140 d變形達(dá)到穩(wěn)定，最終頂?shù)装迨諗苛繛?00 mm；兩幫收斂變形速度在0～30 d較大，達(dá)到4.5 mm/d，50 d后變形逐漸趨于穩(wěn)定，兩幫最終收斂量為150 mm. 相比原支護(hù)方案，采用錨網(wǎng)索+高凸鋼帶+底角錨桿注漿加固的支護(hù)方案巷道頂?shù)装寮皟蓭褪諗苛考笆諗克俣染@著減小，巷道變形得到有效維護(hù)，取得了良好的支護(hù)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(yè)于山西大同大學(xué)，助理工程師，主要從事井下采煤技術(shù)工作(E-mail)531115271@qq.com