永久煤柱影响下软岩巷道耦合支护技术研究与应用

金 淦

（1.中国矿业大学，江苏 徐州221008；2.山西煤炭运销集团忻州有限公司煤业公司，山西 忻州 034000）

永久煤柱影响下软岩巷道耦合支护技术研究与应用

金 淦1，2

（1.中国矿业大学，江苏 徐州221008；2.山西煤炭运销集团忻州有限公司煤业公司，山西 忻州 034000）

袁庄煤矿Ⅳ1专用回风道受永久煤柱支承压力影响，巷道变形十分严重。研究从提高巷道围岩强度和支护结构稳定性出发，针对巷道的破坏特征，提出了耦合支护技术方案，并得到成功应用。

软岩；巷道；耦合支护

1 试验巷道概述

袁庄煤矿为高瓦斯矿井，Ⅳ1回风道为Ⅳ1采区专用回风巷道，担负着Ⅳ1采区的回风任务，巷道支护状况的好坏直接决定整个采区的通风安全。Ⅳ1专用回风道为半煤岩巷，主要施工层位为4煤层，其中41煤层厚度为1.25m，42煤层厚度为0.5 m，中间有0.5 m泥岩夹矸，煤层倾角在10°～33°之间，平均21°。直接顶为灰白色细、中粒砂岩，厚度在7.3m左右，直接底为灰-灰黑色泥岩，厚度为2.2m。Ⅳ1专用回风道主要采用29U型钢棚支护，部分地段也采用了注浆支护。长期以来，Ⅳ1专用回风道受上部Ⅳ3212、Ⅳ3217和Ⅳ3218工作面停采后形成的永久煤柱支承压力影响，巷道变形十分严重。

2 巷道破坏原因分析

1）巷道围岩强度较低

Ⅳ1专用回风道为半煤岩巷，巷道两帮下部为4煤，中部含有0.5m厚的泥岩夹矸，巷道中上部及顶板以粉砂岩为主，底板为泥岩。由于岩体中节理裂隙发育，尽管岩块强度尚可，但围岩体本身的强度并不高，而且在经过多次挑顶、刷帮和卧底后，巷道浅部围岩节理裂隙更加发育，相应的围岩松动圈范围较大，在永久煤柱支撑压力作用下极易产生强烈变形，为典型的工程软岩。

2）永久煤柱支承压力影响

上覆工作面煤层开采以后，在Ⅳ1专用回风道上方形成的永久煤柱内形成较高的集中应力，并向底板传递。根据现有的地质资料，Ⅳ1专用回风道上方煤柱内形成的支承压力峰值约为原岩应力的2倍～3倍，围岩中的切向应力达到32 MPa以上。大量工程实践表明，在煤柱下方的底板巷道，不仅使得位于应力增高区的巷道很难维护，有时位于应力降低区内的巷道维护也困难。

3）现有支护强度较低且支护结构不稳定

U型钢支架具有高阻、可缩和强护表的能力，能够很好的控制高应力作用下巷道浅部围岩剪涨变形，但由于U型钢棚与围岩的相互作用关系很差，支架大多局部承载，很容易产生扭曲和滑移，并且从拱形支护的承载特性看，拱的承载能力较高，而两帮的承载能力较低，变形往往从两帮开始，难以发挥支架的整体承载能力，而且巷道底板无支护，底臌十分严重，加速了两帮内移，很容易造成支护结构的整体失稳。

注浆加固能够显著改善围岩体的力学性能及其完整性，促使围岩形成整体承载结构，防止岩体泥化和风化，但注浆支护不能改变支架的整体受力分布，注浆后的岩体为一个脆性复合体，在高应力作用下仍极易破碎变形。

3 耦合支护技术分析

Ⅳ1专用回风道原有支护采用29U型钢支护，U型钢支架具有增阻速度快、支护强度高和可缩性等优点，被广泛应用于各类破碎软岩巷道中。但大量工程实践表明，受巷道掘进爆破质量影响，支架与围岩相互作用关系较差，支架实际承载能力仅为理论承载能力的1/3～1/5，另一方面支架自身结构不稳定，极易导致支护出现结构性失稳。图1为不同支护形式下U型钢支架弯矩分布状况。

图1 不同支护形式下U型钢支架弯矩分布状况

从图1-a可以看出，在支架承载过程中支架两帮承受的弯矩远远高于拱部，随着计算步数增加，支架最大弯矩逐渐向帮部中央偏移。当支架帮部承受的弯矩大于其许用弯矩时，支架产生屈服逐渐产生破坏，而此时支架拱部仍保持稳定。Ⅳ1专用回风道通过注浆支护，围岩强度可以得到明显的提高后，但对比图1-a与图3-b注浆前后支架的弯矩分布状况可以看出，注浆后两帮角弯矩得到明显减小，但棚腿弯矩分布形态没有太大变化，因此单纯依靠注浆并不能改善U型钢的整体受力状况。从图1-a、1-b可以得知，U型钢支护失稳多是结构局部结构性失稳导致的，因此必须对支架结构薄弱处采用结构补偿，降低支架承受的弯曲应力，发挥支架的整体承载能力。图1-c为采用锚索结构补偿耦合支护后的支架弯矩分布状况，从图中可以看出，与单纯采用注浆支护相比，锚索结构补偿能很好的改善支架的受力情况，棚腿弯矩明显减少。

图2为不同支护形式下巷道表面围岩移动变形特征。如下图所示，原有U型钢支护不能有效控制巷道围岩变形，巷道两帮的移近量远大于顶底板的移近量，并且顶底板移近量中以底板臌起为主，这是由于U型钢支护拱部承载能力较高，但直腿部分抗侧压能力差，支护过程中两帮首先结构失稳，进而促使底板臌起。注浆加固能够提高围岩的完整性和围岩强度，但不能改变支架的整体结构受力状况，棚腿依然是巷道变形的突破口。采用U型钢+注浆+锚索结构补偿的耦合支护技术后，可以有效改善支架的整体承载状况，测试结果表明，该耦合支护可以使巷道围岩变形控制在许可范围内。

图2 不同支护形式下围岩变形特征

4 高强稳定型耦合支护方案

根据前面的分析，控制此类高应力作用下巷道围岩的强烈变形，不仅要求支护体应具备较高的支护阻力，而且要求具备高强稳定特性。具体支护方案，见图3。

图3 支护方案图

该方案的技术核心是根据围岩的破碎状况，采用锚注加固技术提高工程岩体的完整性，将支架与围岩耦合为一体，实现支架与围岩共同承载，充分发挥支架的承载能力。在现有支护基础上，通过在帮部和肩部采用锚索进行结构补偿，提高U29型钢支架的稳定性，同时采用高强控底措施控制底板的强烈臌起，保证Ⅳ1专用回风道有效使用断面。

该方案的关键技术有以下几个方面：

1）采用锚注技术加固围岩。针对Ⅳ1专用回风道围岩裂隙十分发育的实际情况，采用锚注技术加固围岩，一方面通过锚注加固提高围岩体本身的强度和完整性，另一方面通过注浆将支架与围岩耦合为一体，实现支架与围岩共同承载。

2）采用锚索进行结构补偿，保证支架结构的稳定性。通过带梁锚索将U型钢、工字钢梁与锚索耦合为一体，可以很好地解决支架的结构稳定性难题，变不稳定支架结构为稳定支架结构，提高支架结构本身的稳定性。

3）采用高强控底措施控制底板的强烈臌起。鉴于Ⅳ1专用回风道底板的特殊性及底反拱的适用条件，结合底板松散破碎底臌量大的实际情况，提出采用底板锚索配合托梁支护，控制底板的强烈底臌。其中底板锚索施工采用专用的底板锚索钻机。根据底板围岩松散破碎的状况，先采用底板注浆，然后采用锚索配合整体梁加固底板。

图4 Ⅳ1专用回风道观测站围岩位移量

5 结论

通过测站的长期观察，巷道两帮的变形量在60 mm左右，顶底板移近量在100 mm左右，实验取得了成功。工业实验证明，通过锚注加固破碎围岩，采用预应力锚索对U型棚薄弱部位进行结构补偿对有此类破坏特征的支护方式有很好的指导意义。

[1]陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,1994.

[2]陆士良,汤雷，等.锚杆锚固力与锚固技术[M].北京：煤炭工业出版社,1998.

[3]王悦汉，等.巷道支架壁后充填技术[M].北京：煤炭工业出版社1995.

Research and Application of Coupling Support for Soft Rock Roadway under the Influence of Permanent Pillars

JIN Gan1，2
(1.China University of Mining and Technology,Xuzhou Jiangsu221008;2.Xinzhou Coal Co.,Shanxi Coal Transport and Marketing Group,Xinzhou Shanxi 034000)

IV1special air return way of Yuanzhuang Mine is influenced by supporting stress of permanent pillars,so the deformation situation is very serious.To the failure features of roadways,the author, from strength of surrounding rocks and stability of supporting structure,presented the coupling support. The successful application has been achieved.

soft rock;roadway;coupling support

TD353

A

1672-5050（2010）10-0030-03

2010-07-30

金 淦（1965—），男，山西河曲人，在读工程硕士，从事采煤技术研究与管理工作。

徐树文