三软煤层破碎围岩巷道钢－索联合支护技术研究

刘玉卫

（1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2.郑州煤炭工业（集团）有限责任公司，河南省郑州市，450042）

三软煤层破碎围岩巷道钢－索联合支护技术研究

刘玉卫1，2

（1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2.郑州煤炭工业（集团）有限责任公司，河南省郑州市，450042）

郑州矿区属于典型的豫西三软煤层，围岩松软破碎，结构失稳破坏难以维护。针对郑煤集团裴沟矿轨道大巷支护失效、破坏严重的情况，根据数值分析结果，采用三软煤层破碎软岩巷道围岩运用U型钢－锚索联合支护加固技术，成功解决了巷道破坏严重的工程难题。

三软煤层 巷道支护 U型钢－锚索 联合支护

1 概况

郑煤集团裴沟煤矿地处河南西部，矿区属于典型的豫西三软不稳定煤层，该矿多年来一直面临软岩巷道支护难题。裴沟矿－300m水平大巷位于三水平31上山和32下山之间，平均埋深500m左右，担负着矿井东翼运输、通风及排水任务。巷道断面形状为直墙半圆拱，层位位于二1煤层底板L7－8灰岩中，受断层构造影响巷道围岩大部分处于二1煤底板的砂质泥岩中，巷道围岩松散破碎，强度低，同时，局部受水患影响，泥质软岩遇水弱化，围岩承载力严重丧失。此外，－300m水平大巷受32051、32071综放工作面采动影响，巷道围岩变形、失稳。

裴沟矿－300m水平大巷与上部二1煤层底板层间距21m左右，受上部工作面采动的影响，在开采过程中，对底板巷道围岩稳定性产生强烈影响。在平面应力状态下，经计算，初次来压时采场边缘底板岩体的最大破坏深度约为25.6m，轨道大巷处于上部工作面开采形成的底板破坏区域范围之内。

2 数值模拟

本文利用FLAC数值模拟软件，根据现有地质条件和模拟研究重点，针对－300m水平大巷与上部工作面间的不同相对位置关系，建立FLAC数值模型模拟。模型尺寸为长430m、宽350m。为最大限度地降低边界效应对模拟结果的影响，模型左右边界分别设在走向岩层移动角影响范围之外。模型水平边界为固定边界，上边界为应力边界，综合考虑计算机模拟时效，模拟过程中进行适当简化，在模型的顶部加10MPa的等效载荷模拟覆岩层，巷道位置模型示意图见图1。

图1 巷道位置模型示意图

该模型主要用于分析32051综放工作面与水平轨道大巷斜交关系下，巷道受采动的影响，工作面与大巷位置见图2。根据模型的几何尺寸划分，给相应层位岩体赋予煤岩物理力学参数，岩体力学参数见表1。

图2 工作面与大巷位置

为研究巷道与工作面的不同位置的巷道围岩应力场和位移场分布状况，在现有地质条件基础上，建立FLAC二维数值模拟模型，研究巷道中心线与工作面边缘不同水平距离下巷道围岩垂直应力场和位移场分布状况，见图3。

图3 巷道围岩应力场和位移场分布

表1 岩体力学参数

分析图3（a）可知，巷道距采空区边缘0m时，巷道处于低应力区，巷道左帮深部围岩应力水平明显较高。巷道所处围岩整体应力水平较低，受工作面开采形成的整体位移场影响，巷道左帮移近量和底臌量相对较大，巷道左右两帮变形呈非对称性。尽管跨采结束后巷道围岩所处应力水平较低，但在跨采过程中巷道右帮受采动影响程度相对较大。

随着工作面的推进，当巷道与采空区边缘水平距离为10m时，巷道完全处于低应力区，见图3（b），巷道围岩垂直应力保持在5MPa以下，这对于巷道维护极为有利。但由于工作面开采后，巷道所处位置受底板位移场影响，巷道变形以强烈底臌为主。

当巷道与采空区边缘水平距离30m时，如图3（c）所示，由于工作面顶板破断、垮落和进一步压实，采空区围岩应力逐渐恢复至原岩应力水平。由于巷道所处位置应力水平增高，巷道变形量明显增加，同时受底板整体位移场影响巷道两帮移近量较大，并伴有一定量的底臌。

3 支护技术研究

3.1 原有支护状况

裴沟煤矿－300m水平大巷原设计为直墙半圆拱形锚网喷支护方式，锚杆为直径20mm、长度2.5m的螺纹钢锚杆，间排距为800mm×800 mm，配合使用50mm×50mm的钢丝网护表，巷道锚杆间未采用整体梁或钢带。

但无论是以锚网支护为代表的主动支护方式还是以棚式支架为代表的被动支护，都存在支护承载结构性失稳的情况。经调查矿上原有资料，巷道两帮最大移近量达到920mm，顶底板最大移近量达750mm，其中底臌量达550mm。

3.2 U型钢－锚索联合支护

针对裴沟煤矿－300m水平大巷的地质采矿条件和巷道破坏失稳机理的分析，控制此类泥质岩体在构造应力、水体及后期工作面采动综合影响下巷道产生的强烈变形，一方面要封堵巷道水源，防止泥质岩体遇水后泥化、膨胀；另一方面要求支护具备“高阻可缩”和“结构稳定”的特点，提高支护结构的整体稳定性及其承载能力，控制泥质岩体在高应力作用下产生的强烈剪胀变形，提高巷道浅部围岩承载结构的稳定性，使得各类支护体共同承载。

巷道成形后，基本支护方式采用具备高阻可缩特性的U型钢支护，棚距500mm，支架搭接长度为500mm，并采用双槽夹板上、下限位卡缆及1副普通夹板卡缆，要求卡缆预紧力矩应不低于300N·m，U型钢支架壁后使用新型双抗双扣联排钢筋网强力护表，并对巷道表面进行喷浆，要求喷层厚度为50mm±5mm。为提高U型钢支架的结构稳定性，采用小孔径高强预应力锚索配合使用，不仅提高U型钢支架整体结构稳定性及其承载能力，而且能够有效发挥深部稳定岩体的承载能力。锚索规格选用ø15.4mm×5000mm的钢绞线，巷道帮部锚索间排距为1.2m×1.5m，巷道拱部锚索布置在与起拱线夹角45°、90°和135°，每个锚索孔使用4支K2350树脂锚固剂，理论锚固长度接近2.5m。锚索具体布置方式如图4所示。

图4 U型钢与锚索联合支护

4 支护效果

在巷道内设置两组观测站，对巷道表面位移量进行观测，检验支护效果，见图5。

图5 围岩表面位移观测结果

1＃测站巷道顶底板变形1个月内就趋于稳定，顶底板平均变形速率约0.67mm／d，近2个月才趋于稳定，两帮平均变形速率约1.1mm／d。两帮和顶底板最大移近量分别为63mm和25mm；2＃测站巷道变形相对较大，顶底板和两帮变形均在2个月后趋于稳定，两帮和顶底板最大移近量分别为155mm和53mm。

上述观测结果表明，采用联合支护技术后，－300m水平大巷不仅成功通过断层破碎带，而且承受了上部32051工作面的强烈采动影响，巷道维护状况良好。

5 结论

裴沟煤矿－300m水平轨道大巷在开口附近遭遇断层破碎带，围岩极为松散破碎，受水弱化影响巷道变形剧烈。轨道大巷后期承受32051和32071工作面采动影响，为保障水平轨道大巷的支护效果，根据实际地质条件，提出了钢－索联合支护加固技术。研究表明：

（1）巷道位于采空区下方，受采动过程中底板位移场分布影响，巷道变形以底臌和两帮收敛为主。

（2）三软煤层破碎软岩巷道中，利用高强预应力锚索再合理配合U型钢架支护，实现两种支护的配合作用，提高了支护体的稳定性和承载能力。

（3）采用联合支护技术后巷道变形得到了明显的改善，两帮最大移近量由原来的900mm左右到现在的155mm，顶底板移近量由原来的850mm到现在的50mm左右，支护效果明显。

［1］ 何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学［M］.北京：科学出版社，2002

［2］ 孙晓明，何满潮.深部开采软岩巷道联合支护数值模拟研究［J］.中国矿业大学学报，2005（3）

［3］ 谢文兵，荆升国等.U型钢支架结构稳定性及其控制技术［J］.岩石力学与工程学报，2010（9）

［4］ 荆升国.高应力破碎软岩巷道棚–索协同支护围岩控制机制研究［D］.徐州：中国矿业大学，2009

［5］ 荆升国，谢文兵等.动压软岩巷道U型钢－锚索协同支护技术研究与应用［J］.中国煤炭，2009（1）

［6］ 康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2007

Study on U－type steel and cable combined supporting technology in roadway of three－soft seams surrounded by fractured rocks

Liu Yuwei1，2

（1.School of Energy Engineering，Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an，Shaanxi 710054，China；2.Zhengzhou Coal Industry（Group）Limited Liability Company，Zhengzhou，Henan 450042，China）

The coal seams in Zhengzhou mining area belongs to a typical three－soft coal seams in western Henan，being characterized of soft and fractured surrounding rocks and unstable structure.Aimed at the case of support failure and severe damage of track roadway in Peigou coalmine，the numerical analysis showed that the technology of U－type steel and cable combined support used in three－soft coal seams could solve the actual problems in Peigou coalmine of Zhengzhou Coal Industry Group.

three－soft seam，roadway support，U－type steel and cable，combined support

TD353

A

刘玉卫（1978－）男，河南平顶山人，工程师，硕士，西安科技大学在读博士研究生，现就供职于郑煤集团技术中心，研究方向：矿山压力控制及软岩巷道支护。

（责任编辑 张毅玲）