“三軟”煤層差異化支護(hù)探索

張海江　王杰

摘要：鄭煤集團(tuán)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(wěn)定煤層。受不穩(wěn)定煤層賦存條件影響，煤巷支護(hù)以單一的被動(dòng)支護(hù)為主，在高應(yīng)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(wǎng)、錨索支護(hù)作用原理的基礎(chǔ)上，提出了差異化支護(hù)方案。經(jīng)工程實(shí)踐證明，該方案能針對不同地質(zhì)狀態(tài)，采用不同支護(hù)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(hù)效果。

關(guān)鍵詞：“三軟”煤層；不穩(wěn)定煤層；高應(yīng)力；差異化支護(hù)；采煤 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

1 概述

鄭煤集團(tuán)米村煤礦位于鄭州礦區(qū)西北部，該礦內(nèi)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(dòng)地質(zhì)構(gòu)造影響，煤層組織疏松，煤層硬度系數(shù)f普遍小于0.8，煤層風(fēng)化后手指滑過煤墻便會(huì)落下。煤層偽頂、直接頂及底板大多為強(qiáng)度較低的炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁巖等，屬典型的“三軟”不穩(wěn)定煤層。

由于二1煤層賦存極不穩(wěn)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(jìn)方式，支護(hù)方式一直以支架支護(hù)為主，煤巷支護(hù)方式由最初的木棚支護(hù)、礦工鋼棚等剛性支架發(fā)展到U型鋼可縮性支架。然而長期的工程實(shí)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(huán)，在高應(yīng)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(dá)到40mm/d以上，10～15d后巷道斷面收縮率達(dá)可達(dá)30%左右。如何解決支架損壞嚴(yán)重、巷道迅猛的變形的狀況，成為工程技術(shù)人員研究的課題。

2 “三軟”煤巷失穩(wěn)機(jī)理分析

巷道圍巖巖性、圍巖應(yīng)力及支護(hù)方式是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的三大要素。結(jié)合米村礦“三軟”煤層賦存條件及現(xiàn)有巷道支護(hù)方式，造成“三軟”煤巷失穩(wěn)破壞原因主要有以下兩個(gè)方面：

2.1 煤層強(qiáng)度低、巷道圍巖壓力大

測試結(jié)果表明，米村礦二1煤層極為松軟，煤層強(qiáng)度普遍小于8MPa，風(fēng)化后甚至不足1MPa。開采深度超過300m。若巷道埋深為300m時(shí)，上覆巖層平均密度按2500kg/m3計(jì)算，則理論上巷道所處鉛垂應(yīng)力約7.4MPa。且大量實(shí)測結(jié)果表明，構(gòu)造應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力往往數(shù)倍于原巖應(yīng)力，若應(yīng)力集中系數(shù)取2.0，則巷道圍巖鉛垂應(yīng)力水平接近15MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過煤體自身抗壓強(qiáng)度，極易在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性流變。

同時(shí)，由于二1煤層賦存極不穩(wěn)定，煤層厚度變化較大，煤巷沿底掘進(jìn)時(shí)，巷道全斷面處于二1煤層中，雖然二1煤層頂、底板均為強(qiáng)度不高的砂質(zhì)泥巖或泥巖，但其單軸抗壓強(qiáng)度也基本上是二1煤層的數(shù)倍，這樣在空間上就形成了“強(qiáng)—弱—強(qiáng)”的結(jié)構(gòu)，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(tuán)一樣向巷道內(nèi)鼓出，普通金屬支架難以適應(yīng)如此強(qiáng)烈的剪脹變形，加之現(xiàn)有支架抗側(cè)壓能力差，導(dǎo)致大量支架出現(xiàn)失穩(wěn)、破壞。在該過程中由于巷道處煤層厚度的不同，便出現(xiàn)兩種較為典型的破壞形式：

第一種是當(dāng)煤層厚度太大，巷道無法完全沿底掘進(jìn)并撇有底煤時(shí)，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(dòng)整個(gè)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(jìn)一步離層碎脹，作用于支架頂梁的載荷不斷增加，當(dāng)支架鉆至硬底時(shí)頂梁便開始嚴(yán)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(shí)，此時(shí)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(yīng)力作用下支架兩幫首先失穩(wěn)、破壞并不斷內(nèi)移，支架頂梁在頂板壓力作用下也向下滑動(dòng)，當(dāng)下滑量達(dá)到一定程度時(shí)導(dǎo)致支架頂梁折斷或支架卡纜崩斷造成搭接處“張嘴”，從而導(dǎo)致支架承載能力急劇喪失。

2.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)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(hù)一直以被動(dòng)支護(hù)為主。無論是淺部采區(qū)還是深部采區(qū)，大家采取的支護(hù)手段、支護(hù)參數(shù)都差不多，支護(hù)設(shè)計(jì)往往缺乏針對性。而當(dāng)巷道支護(hù)出現(xiàn)問題時(shí)，由于缺乏這方面的專門研究，大家往往應(yīng)對不夠及時(shí)、有效，要么束手無策聽任其變形，要么精心設(shè)計(jì)的加固手段未能奏效，致使很多情況下現(xiàn)場工程技術(shù)人員無奈地看著巷道逐漸變形、失穩(wěn)。

綜合近年來“三軟”煤巷支護(hù)狀況，當(dāng)巷道出現(xiàn)大變形時(shí)大家所采取的方式也都是千篇一律，要么加大支護(hù)型鋼的型號(hào)，由25U提高至29U，再由29U更換至36U；要么是加大支護(hù)密度，支架最小棚距僅為400mm。由此可見，現(xiàn)有支護(hù)技術(shù)注重提高支護(hù)體的強(qiáng)度和剛度，而實(shí)際上支護(hù)體與巷道圍巖所形成的承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性才是決定巷道維護(hù)狀況的關(guān)鍵。

3 錨網(wǎng)支護(hù)作用機(jī)理

在工程實(shí)踐中，一般條件下巷道掘出后巷道頂板巖層隨即出現(xiàn)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(shí)踐中應(yīng)采取措施避免頂板巖層出現(xiàn)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(dòng)支護(hù)無法達(dá)到這一目的，必須借助錨桿、錨索等主動(dòng)支護(hù)手段來實(shí)現(xiàn)這一目的。

作為一種典型的主動(dòng)支護(hù)方式，錨桿在實(shí)際支護(hù)過程中具有支護(hù)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(nèi)巖體，使錨桿與圍巖聯(lián)合形成共同承載結(jié)構(gòu)。

錨桿支護(hù)作用體現(xiàn)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(fā)揮圍巖強(qiáng)度的受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為增大巖體峰后強(qiáng)度的應(yīng)力狀態(tài)，增大圍巖破壞后強(qiáng)度，減小巷道淺部巖體的應(yīng)力降低范圍和深部巖體的應(yīng)力集中現(xiàn)象。endprint

錨桿加固作用體現(xiàn)為：巷道圍巖巖體中存在大量的、分布迥異的層理、裂隙等結(jié)構(gòu)弱面，錨桿的切向錨固力改善巖體弱面的力學(xué)性質(zhì)，減小結(jié)構(gòu)面之間的摩擦滑動(dòng)，提高結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，改善巖體的力學(xué)性質(zhì)，起到加固巖體的作用。

當(dāng)巷道煤層厚度不大，巷道直接頂板為巖石時(shí)，頂板采用錨網(wǎng)支護(hù)能夠發(fā)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(jìn)棚-索共同支護(hù)設(shè)計(jì)原理

而當(dāng)回采巷道留頂煤沿底掘進(jìn)時(shí)，錨桿對松軟煤體的加固作用并不明顯，巷道支護(hù)需依靠錨索將淺部被動(dòng)支護(hù)形成的承載結(jié)構(gòu)懸吊至深部穩(wěn)定巖體上。將載荷作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)自身存在的危險(xiǎn)截面，通過在合理位置施加一定大小的結(jié)構(gòu)補(bǔ)償力，大幅度降低支護(hù)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面承受的應(yīng)力，同時(shí)降低支護(hù)結(jié)構(gòu)整體承受的應(yīng)力，使得支護(hù)體的承載性能得以充分發(fā)揮，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及其承載能力。

5 “三軟”煤層差異化支護(hù)工程實(shí)踐

210051上付巷所處巖層主要為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁巖，設(shè)計(jì)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(jìn)，巷道平均埋深約324m。與多條老巷立交、平交，受臨近空區(qū)及巷道的影響較大，容易造成應(yīng)力集中。

該巷道初期采用U型鋼支護(hù)，掘進(jìn)幾十米后，便發(fā)生破壞，采用U29型鋼支架修復(fù)，棚距0.5m，修復(fù)后巷道局部地段仍破損嚴(yán)重。如果仍采用原支護(hù)形式，必然造成巷道邊掘進(jìn)邊修復(fù)的被動(dòng)局面，不但影響巷道進(jìn)尺，危及工人生命安全，而且還會(huì)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，因此必須改變原支護(hù)形式，根據(jù)不同的地質(zhì)條件采用不同的支護(hù)形式和不同支護(hù)參數(shù)，以適合軟巖巷道特點(diǎn)的支護(hù)體系。

（1）當(dāng)煤層厚度不大，小于3.0m時(shí)，巷頂為巖層時(shí)，采用錨網(wǎng)支護(hù)。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(dāng)頂板煤層厚度3～5m時(shí)，采用錨索-錨桿網(wǎng)耦合支護(hù)，頂部布置4根錨索，長度6～8m，確保錨索打至上覆穩(wěn)定巖層1m；幫部仍采用3m錨桿支護(hù)，間排距0.8m。（3）當(dāng)煤層厚度大于5m時(shí)，由于煤層較厚，選用錨索-棚來聯(lián)合支護(hù)。據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償原理知，支架危險(xiǎn)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(shí)，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(jié)構(gòu)補(bǔ)償錨索規(guī)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(jié)錨固支架。

6 支護(hù)效果

為了檢驗(yàn)支護(hù)效果，在巷道中布置了圍巖位移監(jiān)測點(diǎn)，每10天監(jiān)測一次，經(jīng)過半年來監(jiān)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(hù)方案對不同的地質(zhì)條件，采取針對性支護(hù)手段，提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)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(wěn)定和礦井的正常生產(chǎn)，同時(shí)節(jié)省了支護(hù)成本，具有廣闊的發(fā)展前景

7 結(jié)語

（1）根據(jù)不同巷道圍巖的不同狀態(tài)，分段采用不同支護(hù)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(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。（2）改善了“三軟”煤巷支護(hù)狀態(tài)，大力推行主動(dòng)支護(hù)，合理降低支護(hù)成本，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高支護(hù)質(zhì)量，保障支護(hù)安全。為“三軟”煤巷差異化支護(hù)設(shè)計(jì)、施工、檢測及驗(yàn)收提供依據(jù)，同時(shí)有利于“三軟”煤巷差異化支護(hù)技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用。（3）隨著礦井向深部開采的發(fā)展，礦山壓力顯現(xiàn)更加劇烈，我礦“三軟”煤巷支護(hù)技術(shù)研究的成功實(shí)施，為今后礦井井巷支護(hù)和維修提出了新的途徑、新的思路，為煤礦長遠(yuǎn)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并取得了顯著的社會(huì)效益。

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

（責(zé)任編輯：蔣建華）endprint