两软一硬煤层巷道支护技术

沈　斌，　王海涛，　荣向东

（1.黑龙江科技大学 安全工程学院，哈尔滨150022；2.黑龙江工业学院 资源工程系，黑龙江 鸡西158100；3.河南永锦能源有限责任公司，河南 禹州461670）

两软一硬煤层巷道支护技术

沈斌1，王海涛2，荣向东3

（1.黑龙江科技大学 安全工程学院，哈尔滨150022；2.黑龙江工业学院 资源工程系，黑龙江 鸡西158100；3.河南永锦能源有限责任公司，河南 禹州461670）

为解决云盖山煤矿一矿21203综采工作面回风巷道两帮和底板变形大、支护困难问题，以现场实测资料为基础，结合该矿“两软一硬”煤层上覆岩层移动规律、垮落特征及超前支承压力分布规律，将巷道原锚杆+锚索+锚网的矩形断面支护形式改进为马蹄形U形钢缩性支架支护形式。基于围岩单轴压缩实验参数，进行FLAC3D数值模拟。结果显示：改进后的支护形式有效改变了巷道应力特征。现场应用结果表明：马蹄形U形钢支护形式能够有效控制两帮移近量和底板臌起量，解决回风巷道变形量大的问题。该研究为矿井掘进相似巷道提供了支护设计依据。

两软一硬煤层；巷道支护；马蹄形U形钢；数值模拟

“两软一硬”煤层，即煤质软、底板软、顶板硬煤层，是继三软（煤质软、底板软、顶板软）特殊地质条件煤层后又一特殊煤层。“两软一硬”煤层巷道支护是煤层开采和掘进中亟需解决的难题［1-2］。河南永锦能源有限责任公司云盖山煤矿一矿21203综采回风巷道属于典型的“两软一硬”煤层［3］，回风巷道两帮和底板变形大、支护困难。针对这一情况，笔者根据该矿回风巷道矿压的观测结果和巷道变形特点，改进巷道原有支护方式，为矿井同类巷道施工提供了理论依据和工程技术方案。

1　工程概况

1.1煤层赋存条件

回风巷道设计在二1煤层中，煤质呈粉末状，黑色，疏松染手，暗淡型，局部含丝碳，煤层总体呈单斜状，结构简单，普氏硬度系数f≤0.37。煤层倾角为14°～17°，平均15°。沿煤层顶板掘进，掘进范围内煤层厚度为1.7～3.1 m，平均厚度为2.4 m。于回风巷道-23～13 m段采样，分析煤层赋存条件，结果如表1所示。

表1　煤层顶底板情况Table 1 Coal seam roof and floor condition

1.2岩石抗压强度

岩石抗压强度实验在计算机控制下进行，采用传统位移控制，加载速率为0.005 mm/s。岩石单轴压缩的破坏形态见图1。从图1可以看出，试样单轴压缩破坏特征较为复杂，以剪张型破坏为主。

岩石单轴压缩实验结果显示：老顶粉砂岩和直接顶中粒砂岩抗压强度相对较高，属于坚硬类岩石；直接底砂质泥岩和泥岩抗压强度相对偏低，属于软岩类岩石；老底粉砂岩，抗压强度中等，属于中等坚固类岩石。

2　巷道支护设计与数值模拟

2.1设计依据

根据矿井回风巷道具体的地质条件、“两软一硬”围岩性质、上覆岩层结构特征以及相邻采面地质构造情况，得出以下规律［3-5］：

（1）在开采初期岩层移动量较小，随工作面的推进，岩层的移动量逐渐增大，并且在整个移动过程中，各测点的移动并非完全同步，而呈现非线性。

（2）顶板岩层从下往上分层垮落，经现场观测，岩层垮落存在较明显的分层现象。煤层上覆岩层的破坏具有分层破坏的特性。

（3）煤层开采引起上覆岩层的变形、破坏、冒落。巷道底板是炭质泥岩、泥岩，已经掘进的巷道底板岩层呈典型的蠕变状态，在顶板压力作用下这些软化了的岩石便向巷道空间整体流动，巷道的两帮也随底臌产生内移。

以上规律作为巷道支护设计依据。

图1　岩石单轴抗压和破裂破坏状态Fig.1 Rock uniaxial compression and rock burst

2.2断面支护设计

基于二1煤层中回风巷道现场矩形断面支护设计参数，提出了马蹄形断面支护形式，并给出设计参数。

当前现场回风巷道的支护形式为锚网+锚杆+梯形和M形钢带矩形断面［6－7］，断面宽4.3 m，净高2.8 m。顶板平均坡度16°时计算，断面掘进面积Sa= 12.54 m2，断面净面积Sb=12.04 m2。帮部锚杆直径18 mm，长度2.5 m，间距0.7 m，排距0.7 m；顶部锚杆直径20 mm，长度2.0 m，间距0.8 m，排拒0.7 m；锚索直径17.8 mm，长度8.0 m，仅在顶部打锚索，如图2a所示。

［8-10］，将矩形断面支护设计改进为采用五节36#可缩性U形钢加底拱的马蹄形断面支护。断面净宽4.3 m，净高3.3 m；顶板平均坡度16°时计算，断面掘进面积Sa=15.5 m2，断面净面积Sb=12.4 m2，间距0.6 m，如图2b所示。支架与围岩之间间隙采用木制备板充填。

2.3断面支护应力数值模拟

为分析矩形巷道和马蹄形巷道两种支护形式的效果，采用FLAC3D3.0软件对两种支护形式下的围岩受力情况进行数值模拟。模型为非单一均质材料，煤层厚度2.4 m，煤的硬度系数0.37，岩层的力学参数为容重24.5 kN/m3，体积模量2.2 GPa，剪切模量1.5 GPa，抗拉强度8.7 MPa，内摩擦角27°，内聚力3 MPa。根据岩层力学参数，选用理想弹塑性模型，采用 Mohr-Coulomb屈服准则［11-12］，建立数值模型，模拟结果如图3所示。

图2　巷道支护设计Fig.2 Design of roadway supporting

图3　巷道垂直应力分布模拟Fig.3 Vertical stress distribution simulation of roadway

由图3a可以看出，矩形巷道支护条件下，巷道两帮和底板出现应力集中，其中巷道两帮打设锚杆处和巷道底板处应力集中最大，最大应力达到37.3 MPa。巷道顶板出现应力降低区，顶板最小应力值为0.59 MPa，顶板呈拱高1.1 m的抛物线形状。

由图3b可以看出，马蹄形巷道支护条件下，顶底板最大应力值达到38.1 MPa，与矩形巷道支护条件下最大应力值一致，但马蹄形U形钢支护有效地将应力集中区由巷道两帮和底板转移到巷道顶板上，两帮应力为降低区，分布相对均匀和对称，有利于两帮控制。同时，马蹄形U形钢支护方式的顶底弧形构造，改变了巷道顶底板应力分布状态，使巷道的轴线方向与构造应力方向平行，避免与构造应力方向垂直，有利于提高自身承载力。

3　现场应用效果

3.1观测方法

3.1.1测站布置

在待测段具有代表性的100 m范围内，布置两个测站，且两个测站的间距为20～25 m，测站距离回采工作面1 050 m，不考虑回采工作面对测站的影响。每个测站布置两个测点，每个测点间距为1 m。测点设在顶板稳定、支架完好、两帮整齐、底板平坦和牢固便于长期观测的位置。每个测站安装一个顶板离层观测仪。

3.1.2观测方法与数据处理

在选定好的两帮上做标记，采用激光断面检测仪（北京光电技术研究所，型号YHD30J（A）型）检测巷道断面面积。测距精度为±3 mm，测角精度为±6′，方位角范围为0°～360°，定位测量方式为垂直向下激光定心标志点，每个断面51个点。激光断面仪放置在巷道中心线，检测头与巷道腰线齐平，使用专门设计的图象处理软件，对比参照断面，快速计算两帮和顶底板的间距变化量。顶板下沉量由顶板离层观测仪读取，频率为每天一次；底板臌起量为前一次顶底板间距减去本次测量的顶底板间距和顶板下沉量。两帮移近量、底板臌起量和顶板下沉量均为相对值。为了减少误差，对同一断面支护形式内的测站数据取平均数，以月变形量为计量单位。

3.2结果分析

在二1煤层回风巷道内，设计了两种断面支护形式，在施工现场进行为期六个月的矿压观测，结果如图4所示。

图4　巷道变形量Fig.4 Roadway deformation

由图4可见，两种支护形式下，顶板移近量很小，均小于100 mm，没有明显改变；矩形支护巷道两帮移近量大，变化值为100～600 mm，而马蹄形支护巷道两帮移近量明显减小，变化值为20～100 mm，在第六个月时，移近量减少了83.3%；矩形支护巷道底板臌起严重，臌起量为60～400 mm，马蹄形支护巷道底板臌起量明显减小，变化值为20～100mm，在第六个月时，臌起量减少了75.0%。现场观测中发现马蹄形支护巷道部分地段由于施工没有严格按照设计要求架设U形钢，导致钢棚迎山角和扭矩不符合要求，致使钢棚受力不均，出现明显底臌现象。

4　结　论

（1）支护巷道应力数值模拟结果显示，马蹄形U形钢支护方式有效地将应力集中区由巷道两帮和底板转移到巷道顶底板上，降低了两帮应力，有利于两帮控制，同时其顶底弧形构造改变了巷道顶底板应力分布状态，有利于提高承载力。

（2）现场实验显示，采用马蹄形U形钢支护方式第六个月，相对矩形锚网支护方式，巷道两帮移近量减少了83.3%，底板臌起量减少了75%，巷道的两帮移近量和底板臌起量均得到了有效控制。

（3）马蹄形U形钢支护方式在“两软一硬”煤层巷道支护中有利于围岩和煤承载圈的形成，增强巷道的稳定性，为矿井掘进相似巷道提供了支护设计依据。

参考文献

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［3］刘高峰，张子戌，宋志敏，等．两软一硬煤层突出控制因素与发生规律［J］.河南理工大学学报：自然科学版，2013，32（5）：531-535．

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（编辑荀海鑫）

Research of roadway support in two-soft and one-hard coalbed

SHEN Bin1，WANG Haitao2，RONG Xiangdong3
（1．School of Safety Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；2.Resource Engineering Department，Heilongjiang University of Technology，Jixi 158100，China；3.Henan Yongjin Energy Co.Ltd.，Yuzhou 461670，China）

This paper is concerned with a solution to notorious difficulties，such as a closer convergence between the two sidewalls，a greater floor deformation and a more challenging roadway support，as occurs in NO 21203 fully mechanized working face return roadway in YUN Gaishan Number one coal mine.The research builds on the data derived from field measurement and is combined with the law underlying the movement of overlying strata，caving characteristics，and the law governing the distribution of initial support pressure，as is typical of the coal seams，known as“two-soft and one-hard”，in the mine.The study features a horseshoe U shaped steel bracket supporting form developed from the currently-used roadway supporting form—a supporting form of rectangular cross section comprised of anchor rod，anchor cable，and anchor net，and highlights FLAC3Dnumerical simulation based on experiment parameters behind uniaxial compression of surrounding rocks.The results demonstrate that the improved support form may enable an effective change in the roadway stress behavior.The field application shows that the horseshoe U-shaped steel supporting form may provide a more effective control of the extent to which there occur the convergence between the two sidewalls and floor heave；and a better solution to a greater deformation occurring in return airways

two-soft and one-hard coalbed；roadway support；horseshoe U-type steel；numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.003

TD353

2095-7262（2015）06-0588-05

A

2015－11－10

黑龙江省普通高校采矿工程重点实验室开放课题（2014－KF05）

沈斌（1983－），男，浙江省长兴人，讲师，博士研究生，研究方向：矿山安全技术，E-mail：shenbin1121@163.com。