“三软”煤层全煤巷道支护技术研究

摘要： 从软岩的特性、三软巷道围岩的破坏机理入手，结合嵩山煤矿的实际情况，提出采用刚柔复合支护方法对巷道进行支护，即在支护体内设置柔性层和刚性层，柔性层释放初期高应力，刚性层控制有害变形；在受力集中的顶底角采用叠加支护，使巷道整体变形耦合。经现场试验及围岩变形观测分析，该支护方式能够有效控制巷道的强烈变形，降低巷道维修成本，从而解决三软煤层巷道支护困难的问题。 　 　

关键词： 三软煤巷 刚柔复合支护 耦合支护

大量的实践研究资料向我们证实了一个方面的问题：即在矿山生产建设过程当中，巷道支护方式的选取带给的不仅仅是巷道成型质量的优质，还给人员安全提供了有力的保障，在日趋发展的矿山建设施工中，开采岩石集中巷再侧向掘进 煤巷 的方式 ， 在成本支出上给矿山经济发展拉了限闸。在煤矿开采中，全 煤 巷道代替原有的岩石集中巷与石门组合巷道采煤方式的趋势愈来愈强，同时，在剔除岩巷支护形式、成本的过程中也加剧了现有全 煤巷 支 护方式的安全承压考验。

　 　

一、矿区地质条件概况 　 　

嵩山煤矿位于偃龙矿区，现开采的二水平埋深400米左右。主采的二叠系山西组二1煤层为“三软”煤层，煤层硬度系数f＜0.3，煤层结构简单，局部含泥岩夹矸，夹矸厚0.1～0.4m。煤层以粉末状为主，块状较差，平均煤厚4.2m，煤层平均倾角15°。煤层顶底板参数见表1。 　 　

顶底板名称		岩石类别	厚度 /m	岩性
顶板	老顶	中细粒 　 　 砂岩	7.58	灰色，厚层状，成分以石英为主，含暗色岩屑，夹粉砂岩薄层，产植物化石，泥质胶结，波状层理。
	直接顶	砂质 　 　 泥岩	18	灰～深灰色，厚层状，成分以石英为主，含暗色岩屑，层面富集白云母碎片及炭质、泥质胶结水平层理。
	伪顶	炭质 　 　 泥岩	2.84	黑灰色，中厚层状，产植物化石碎片。
底板	直接底	砂质 　 　 泥岩	4.5	灰黑色，薄～厚层状，夹粉砂岩及细粒砂岩条带，产植物化石，下部偶含黄铁矿结核，波状层理及透镜状层理。
	基本底	细粒 　 　 砂岩	20	深灰色，中厚层状，平灰黑色泥质条带，含白云母碎片及黄铁矿结核，泥质胶结，波状层理发育。

表1 煤层顶底板情况表 　 　

 

二、原有 巷道 支护 方式及变形分析 　 　

1.支护方式 　 　

嵩山矿回采工作面巷道原采用 11# 工字钢对棚支护，顶部采用塑编网和荆笆护顶，两帮采用荆笆背严背实。如图 1所示： 　 　

　 　

图1 工字钢支护断面图示意图 　 　

上述支护方式在现场实践中存在的问题: 　 　

① 该支护形式巷道矿山压力显现快，巷道在掘进50m左右就严重变形，需返修作业，严重影响工作面回采期间的安全 ； 　 　

② 回采工作面巷道 由于变形严重，不能太长， 长度一般为50～80m，工作面服务时间短，易造成矿井采掘失调 ； 　 　

③ 回采巷道矿压显现剧烈 。 　 　

2.巷道破坏原因分析 　 　

 根据巷道实际情况分析，造成上述问题的原因有： 　 　

① 围岩特性影响。煤层松软呈粉末状，顶底板均为泥岩、砂质泥岩及灰质泥岩，巷道围岩强度低，变形量大，变形速度快，巷道施工时极易出现底鼓，从而使两帮及顶板变形加剧，松动范围扩大，矿压显现明显。 　 　

② 上覆岩层影响。巷道埋深较大，单一的工字钢对棚支护不能承受上覆岩层的压力，由于岩体的流变作用，支架必然发生变形，从而造成巷道支护结构的破坏。 　 　

③ 碎胀作用影响。岩层中夹矸为固化程度很低的泥岩，夹矸及煤遇水变软，发生膨胀，在上覆岩层的作用下，夹矸及煤被挤压出，从而造成棚式支护的变形。 　 　

④ 支护结构与参数不合理。支架属于刚性、被动支护形式，只起护表作用，不能实现与围岩的协调变形和有效调动深部围岩的承载能力。支架腿未 “穿鞋”，在巷道底板为煤层和软岩的条件下，很容易钻底，导致顶板下沉和支架偏转失稳。 　 　

　 　

三、新支护方式 　 　

1.新支护方式原理分析 　 　

综上所述，巷道破坏失稳的根本原因是围岩应力超过了围岩强度。为此，进行支护设计时要通过改进支护方式来保护围岩强度。 设计 采用刚柔复合支护以及关键部位的叠加支护。刚柔复合支护中的柔性支护释放高应力，刚性支护限制其有害变形。通过在顶角打锚索底脚打锚索，加强对顶底角“关键部位”的支护，使整体耦合，增加巷道整体的稳定性。 　 　

①刚柔复合支护从力学概念上讲,是在支护体内设置刚性层和柔性层,在刚性层和柔性层之间预留一定量的间隙。柔性支护并不能使 “支架－围岩”系统达到力学平衡，因此，柔性支护后围岩必然产生一定变形，以便继续释放一些能量。刚性支护的目的在于促进围岩进一步于平衡，以保证巷道使用期间的稳定性，所以刚性支护应与柔性支护留有合适的间隙。这样,支护体具有充分的柔度和间隙以适应高应力软岩的大变形，释放高应力,同时又具有充分的刚度限制围岩的有害变形。采用刚柔复合支护的方法不仅可以充分利用岩体自承能力,而且使压力向背离采空区侧移动,如图 2 。 　 　

　 　

图2 柔性支护巷道移压示意图 　 　

②三软煤巷藕合支护机理，耦合支护是针对软岩巷道围岩塑性变形不协调部位，通过锚索及锚索使关键部位支护耦合而使其变形协调，从而限制围岩产生有害的变形损伤，实现支护一体化、荷载均匀化，达到巷道稳定的目的。通过提高锚索初锚力、布置底角锚索及顶角锚索，有效地控制了围岩变形特别是强烈的底鼓。 　 　

2. 具体支护方式 　 　

①支护参数设计 　 　

U ₃₆ 型 钢 可缩性架 棚支护设计 ： 采用 U ₃₆ 型 钢 ，由1节棚梁2节棚腿组成，断面形状为近似直墙半圆拱形。 顶部 U型 钢经过特殊的加工 ， 使其呈一定的微拱形 ，U型 钢棚间距 0.5 m 。 　 　

架棚与煤体之间铺有两层塑编网 ，长 1200mm ， 宽 8 00 mm ，网格规格为 3 0mm× 3 0mm ，网与网搭接长度 不 小 于10 0 mm ， 每隔 150 mm 用 塑编网带连接牢固，每三孔连一个死结，联结间距为100mm，严禁串连。释放煤体能量的同时，防止漏煤。 　 　

背木直径不小于50mm，两端要穿过U型钢中心，顶板背木间距中见中100mm，帮部中见中300mm，误差不大于30mm；背木要垂直于支架背设，且不得松动（松帮卸压不受此限）；两边岩层段可以不用背木背帮,但煤层松散时必须背到底。 　 　

锚索 为 1×7 - Φ17. 8mm 钢绞线制作 ，长8m ，托盘 规格 为 500 ×500  mm 。每根锚索用 2 卷 CK2350 型 与 2 卷 K2350 型锚固剂锚固   。 如图 3 所示： 　 　

图3 刚柔复合支护巷道断面图 　 　

3.施工要求 　 　

① 煤巷 掘进应尽量采用沿底施工，架腿在底板中的埋深不少于200 mm，底板的强度足以限制架腿的下沉和位移，从而可保证支护结构的稳定。 　 　

②当 煤巷 无法沿底施工时,应把架腿札角放大。柱窝周围的煤柱将受到破坏，架腿将产生侧向位移，而札角放大后将使架腿的侧向允许位移增大，由 于煤体的破裂有一定的 规律 ，侧 向允许位移的增大将明显延长支架的服务期限。 　 　

③ 巷道掘进时，通过光面爆破施工，尽量减轻对顶、帮煤巷岩体的破坏，为实施锚索等主动支护创造有利条件。必须在超前探梁临时支护的情况下进行锚索支护、塑编网的铺设等施工工序 。 　 　

④ 侧帮采用半封闭支护。推迟背帮时间，可在架棚之后 1 ～ 2 个月再背帮，甚至侧帮中下部始终不背帮，使侧帮中下部的煤体有自由垮落的空间断释放掉煤体受压后产生的变形能，若再辅以钻孔卸压的方法，则可泄掉大部分侧向压力。 　 　

⑤ 柔性支护的目的是及时封闭和隔离碎煤，以防止巷道周边悬露面上个别碎煤掉落，同时对围岩初期移动给以一定限制，因此柔性支护应在开巷后尽早进行。 　 　

 

四、现场观测与分析 　 　

为了便于检验新的支护方式的可行性，选取地质条件相近的 2103 工作面下顺槽 1 ^# 进行实验 。 　 　

在1#巷道内 每间隔10m设定一个观测点，每天观测，观测 内容包括 ：支架两棚腿间移近量、顶梁距底板移近量、支架梁、腿搭接下缩量。 从观测结果我们发现1#段巷道顶底板、两帮在巷道掘进之 1-10 天移近量迅速增大， 11 天以后两帮及顶底板的移近量趋于稳定，最终移近量为 204～246mm、234～312mm ，如图 4 所示。该图充分反映了刚柔复合支护初期让压的特点，即围岩初期变形量较大，充分利用了围岩自身强度；后期巷道围岩与刚性支护接触，变形量减少。因此采用刚柔复合支护以及顶底角叠加支护控制了三软煤层巷道围岩变形、保持巷道围岩稳定，改善了巷道维护状况。 　 　

　 　

图4 改进支护巷道顶底板移近量监测图 　 　

 

<!--[if !supportLists]--> 五、 <!--[endif]--> 结论 　 　

<!--[if !supportLists]--> 1. <!--[endif]--> 三软煤层巷道围岩塑性变形大，较难控制，可采用适当让压的方法，躲过高应力，同时辅助以刚性支护保证巷道工作空间安全。 　 　

2.顶角锚索，底脚锚索加固的方法使应力集中区得到了叠加支护，使巷道整体变形与运动一体化。上述支护技术有效保持三软煤层巷道围岩稳定。