“两软一硬”煤层巷道支护技术应用研究

许进军

(太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原030000)

煤炭在我国一次能源结构中占70%左右，2012年我国煤炭产量达到35多亿t，其中大部分为井工开采。井工开采需要再地下开挖大量的巷道，“两软一硬”煤层是指煤层比较坚硬，但是顶板和底板比较软，是一种特殊的地质现象。某矿7#煤层开采过程中，周期来压步距为12m，其工作面老顶属于坚硬顶板，底板属于松软岩层，属于典型的“两软一硬”煤层。现场支护密度很高的情况下，开采工程中仍然出现采面整体支护强度偏低的情况，给煤矿巷道掘进安全生产带来了很大的隐患，影响了采面的正常接替，是该矿当前亟需解决的问题。

1 工程概况

某煤矿7#煤层位于-420m水平，煤层直接顶板多为厚而坚硬的灰白色中粒岩屑石英砂岩(K1大占砂岩)，东北端及中部零星部位直接顶板为深灰色粉砂岩和砂质泥岩；底板为深灰色砂质泥岩，伪底为炭质泥岩和灰色根土泥岩。煤厚0～11.57m，平均3.73m。煤层结构简单，属较稳定偏不稳定型厚煤层。煤层赋存标高+250m～-430m，埋深90～755m。原采用Φ22mm×1800mm的锚杆全长水泥药卷锚固，间距0.4m，排距0.8m，特种加固措施为在顶部布置3根Φ14mm×6m的钢绞线锚索，排距2.5m。该支护方式在巷道开掘后60d就出现较大变形，难以维护。

表1 “两软一硬”煤层顶底板岩层性质

2 锚杆联合支护机理

锚杆支护的形式主要有锚网、锚梁、锚钢带和锚网梁等等，是一种主动支护方式。锚网支护系统涉及到支护设计、掘进施工、支护材料等多个方面，是一个系统工程。巷道锚杆支护设计的基础是对锚杆支护机理有一个正确的认识。井下的开挖工程，破坏了岩体的原始应力状态，由静水围压状态变为临空自由面的法向受力，引起了巷道周边的岩体产生法向位移，于是巷道进入被持续破坏的过程，破坏首先是从巷道临空自由面开始向巷道内层层剥落。巷道位移产生后，破碎岩体又产生反向弹性应力，然后再次形成应力平衡。要形成这种应力平衡，就必须保证煤岩体的完整性。锚杆主动支护效果恰恰是体现在锚杆的预应力，当锚杆置入围岩体内时，预应力能够使破碎岩体承受一定的弹性变形，形成具有支护作用的应力拱。前人研究的组合梁理论、松动圈理论、锚杆桁架理论的核心思想都是在失去稳定的围岩上，通过锚杆等施加一个约束力，结合锚梁网等整体提高破碎围岩的抗剪切、抗压强度。锚杆对围岩体的约束作用主要体现在一下方面：①锚杆对围岩体施加的预应力，提高了围岩的完整性，增加了围岩的抗变形能力；②锚杆锚固于岩体深部，锚杆具有一定拉力，可以悬吊不稳定岩层；③锚杆阻止了岩层间的相对滑动，增加了破碎岩体之间摩擦力，形成组合梁。

3 “两软一硬”工作面顺槽巷道支护设计

3.1 工作面顺槽支护方案及参数设计

机巷顶锚杆设计参数：锚杆选择：顶板锚杆杆材选用螺纹钢等强预拉力锚杆，加M型钢带、金属菱形网联合支护，锚杆规格为：M24-Φ22×2400mm。考虑巷道宽度、围岩岩性等，设计取锚杆间排距为900×800mm。锚杆预紧力不小于60kN，锚固力不低于120kN。

煤巷帮锚杆设计参数：巷道两帮采用螺纹钢等强预拉力锚杆、金属菱形网，锚杆规格：上帮 M24-Φ22×2400mm，下帮 M22-Φ20×1800mm，σb＝420MPa。 帮锚杆间排距为 900mm×800mm，加 π2 型钢带和金属托盘，每根锚杆采用两节Z2550型中速树脂药卷加长锚固，锚杆预紧力不小于30kN。锚固力不低于40kN。

锚索设计参数：锚索的长度取为6.5m，锚索间距为2.2米，距巷道中心线1.1m各安设一根锚索，锚索排距与锚杆排距相同为800mm，见图1。

图1 巷道支护设计

3.2 回采期间的巷道支护效果

0114工作面机巷在回采期间的总体变形量较小，根据巷道内观测点的观测，一般两帮变形在300mm左右，底臌量一般在400mm左右。巷道各段变形量不一，根据巷道内设的变形观测点的观测，巷道U型棚支护段两帮变形一般在1000mm，底臌量在600mm左右，顶板下沉量在300mm左右；巷道锚网支护段两帮变形量在900mm左右，底臌量在600mm左右，顶板下沉量在200mm左右。矿压观测表明，采用锚网索支护有效的维护了巷道的稳定，“两软一硬”煤层工作面顺槽适于采用锚网索这一主动支护方式。

4 结束语

目前我国矿区的锚杆使用量达占到了巷道支护的90%以上。锚杆支护是我国煤矿支护方式中使用最为广泛的支护方式，锚杆支护技术能够显著提高破碎围岩的支护效果，同时能够减轻工人的支护工作量，是一种高效、经济、安全的支护技术。现场实测的数据表明：锚网带索联合支护从技术和效益两方面都明显优于单一支护，能够满足“两软一硬”煤层支护要求，控制了高地应力复合顶板突出煤层巷道的强烈变形，提高了巷道围岩的稳定性，抑制了冒顶和片帮等情况的发生，保证了巷道安全性。

［1］马念杰，贾明魁，赵庆彪，刘少伟.煤巷锚杆支护新技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2006.

［2］康红普.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2009.