浅论加强高泥质软岩巷道支护

史春

摘要： 石沟驿煤矿010607工作面回顺在回采过程中，由于受采空区侧向应力以及采空区水对巷道围岩的影响，巷道围岩出现了整体变形，表现为顶板下沉、两帮整体变形以通过对巷道破坏原因进行分析，在010610回顺掘进时提出了从巷道的初次支护、表面封闭、隔离采空区水以及泥岩改性等方面对加固方案进行探讨，以保证巷道在回采时能够保证围岩的稳定及严重的底鼓，在回采时巷道需要频繁返修，严重影响了矿上的正常生产。

Abstract： In the stoping process of 010607 Face in Shigouyi Coal Mine， because of the lateral stress in the goaf and the effect of goaf on surrounding rock of roadway， the surrounding rock of roadway has the overall deformation such as the heaving floor roof subsidence， the overall deformation of scalings and the serious heaving floor. In the stoping process， the roadways need frequent repair， it seriously affects the ormal production of mine. Through the analysis of the causes of roadway damage， the reinforcement schemes are discussed from the first support， surface sealing， the water of isolated goaf and the modified mudstone in the 010610 tunnelling to ensure the stability of surrounding rock of the roadway in the stoping.

关键词： 围岩；应力；支护；设计

Key words： surrounding rock；stress；support；design

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0075-04

0 引言

石沟驿煤矿六煤层煤层顶板为复合型软岩顶板，底板为具有遇水膨胀、崩解及流变特性的侏罗系泥质软岩，支护难度大。010607工作面回顺在回采过程中，由于支护不当，导致煤层顶板下沉、两帮整体变形，巷道底鼓现象十分严重，加之返修不力，严重影响正常作业。

本文通过对巷道破坏原因进行分析，在010610回顺掘进时提出了从巷道的初次支护、表面封闭、隔离采空区水以及泥岩改性等方面对加固方案进行探讨，以保证巷道在回采时能够保证围岩的稳定。

1 地质概况

石沟驿煤业分公司六煤层，煤层厚度1.47～2.04m，平均厚度为1.7m。该煤层煤层赋存稳定，层状结构、节理发育，硬度较小，光泽强，厚度变化相对较大，煤层中上部（距顶板0.15～0.20m）有一层泥岩夹矸，夹矸厚度在0.05～0.1m间，煤层顶底板以泥岩为主，硬度较小，遇水易变软彭胀，煤岩普氏系数f=2～3。

通过图1 010607的回顺的综合柱状图比较可以看出，煤层顶板上方1.5m为五煤层，两煤层之间为泥岩与细砂岩的互层分布，泥岩硬度较低，遇水易膨胀，岩石强度会明显降低；其中细砂岩为块状泥质胶结，强度较低，同时也具有遇水容易膨胀变形的特性；五煤层平均厚度为1.1m，具有硬度低，节理发育、层状结构的性质；五煤层顶板为煤矸互层，层状结构、硬度小、易脱层，五层的厚度平均为0.3m；五层上方为粉砂岩，层状结构，泥质胶结，硬度中等，遇水易膨胀变形平均厚度为2.52m。

煤层底板为直接底为泥岩、细粒砂岩和粉砂岩，整体强度低，易吸水膨胀。

通过以上煤层顶底板的岩性情况，可以得出以下围岩特性：

①煤层顶板为复合型软岩顶板。由于该种顶板为泥岩与砂岩交替出现，当支护方式的选择不当时很容易发生脱层现象；顶板岩石为泥岩或者有泥岩胶结的砂岩组成，遇水后很容易发生膨胀变形，锚杆、索的锚固段的锚固力容易降低或者丧失，最终发生巷道顶板整体下沉，甚至出现冒顶事故。

②煤层底板为侏罗系泥质软岩，经分析该泥岩具有遇水膨胀、崩解及流变的特性，支护难度大。

2 原支护形式及存在问题分析

2.1 原支护形式

010607工作面回顺位于石沟驿技改井+929水平北翼，巷道下侧为设计的010607综采工作面，巷道上侧为010605综采工作面，间隔煤柱12m，设计施工长度2490m。矩形断面，巷道断面为12.18m2，全断面挂设金属网配合钢带、锚杆、锚索、锚梁进行支护。锚杆间排距为800×900mm，巷道上帮使用3根螺纹钢锚杆配合锚梁进行支护（锚梁采用11#矿工钢，长2700mm），锚杆规格为：Φ20×2800mm，巷道下帮及顶板共使用9根螺纹钢锚杆，锚杆规格为：Φ20×2200mm，铁托板均采用10mm厚钢板加工，规格150×150×10mm。锚索孔间排距：3000×1800mm，采用Ф17.8mm钢绞线加工，加工长度：7000mm，锚索托梁采用11#矿工钢，加工长度600—800mm，铁托板采用10mm厚钢板加工，规格100×100×10mm。（图2）

2.2 巷道矿压特点及巷道变形分析

010607回顺掘进完以后受应力影响巷道变形主要集中在巷口至1300范围内，变形首先发生在巷道顶板破碎下沉、帮部外凸严重，局部伴有锚杆破断现象。锚杆受力较大的位置出现托盘翻盘现象严重。后期由于受断层附近有淋水现象和相邻采区渗水的影响，同时巷道在掘进过程中出现相邻采空区的水通过工作面之间的煤柱渗透到顺槽底板，巷道整体变形较大，虽经多次返修仍不能控制巷道的稳定。（图3）

①断层构造附近的应力明显较大，同时受水的影响较大。

在断层附近受复杂构造应力的影响，巷道受力明显大于正常掘进段。顺槽通过断层时一般需要穿煤层顶板或者底板通过，围岩为泥岩或者是泥质砂岩，同时断层附近常伴有淋水现象，围岩泥化、软化严重，锚网索支护系统的有效性很难保持，容易发生整体变形。

②工作面顺槽间隔煤柱为12m，巷道受煤层倾斜和相邻工作面010605的回采影响回顺表现出较明显的水平应力。

回顺的巷道变形位置位于两肩窝处，表现出较明显的拉剪破坏，该种破坏形式主要是受010605工作面回采后的侧向应力的影响造成的。侧向应力沿煤层倾斜方向向下传递，在010607回顺表现出明显的水平应力，巷道两肩窝处受拉剪应力的破坏作用，发生严重变形，外凸。

巷道两肩窝变形的结果使上方泥岩在自重应力的作用下发生错位，最终可能导致相应处锚杆破断，如不及处理，巷道变形将进一步波及整个断面。（图4）

③复合软岩顶板，容易导致顶板脱层现象，顶板整体下沉，严重处可能导致冒顶事故。

巷道顶板为泥岩与泥质砂岩及煤层组成的复合顶板，如在巷道支护初期出现支护系统的预紧力小，或者系统工作过程中预紧力丧失等问题，复合顶板易出现离层现象，离层的结果使得锚网索支护系统由主动支护变为被动支护，锚杆的锚固段由于处在软岩之中，随着裂隙的导通，锚杆的锚固力下降，支护失效随着围岩变形一同内移。

④该段巷道，由于多次起底修复，使得相邻工作面采空区积水渗入顺槽，围岩受水的影响下整体强度迅速下降，进而诱发整体变形。

3 原支护存在的问题与返修方案存在问题及分析

3.1 巷道设计断面抗压轻度低

根据010607回顺巷道实际情况，从图3可以明显看出，巷道受到的应力主要集中在巷道顶板从中间往下下沉及两帮鼓出，巷道顶板成锅底状下沉证明巷道原有的支护起到了一定的效果但是不能满足应力分散的需要，巷道帮部鼓出证明压力没有按照巷道轮廓进行压力传导，造成了巷道的严重变形，说明矩形巷道的抗压强度不能满足我公司的井下现场生产的实际需要。

3.2 工作面间隔煤柱选择

010607综采工作面与相邻010605综采工作面间隔煤柱为12m，根据现场实际情况分析在受相邻工作面动压的影响下，锚杆、锚索、围岩之间的协调变形能力较差。

从图4中可以看出，目前在动压影响的情况下，由于锚杆的延伸率较高，而锚索的延伸率较低，锚杆、索受力迅速增大，锚索首先发生破断，由于锚索受力较大提前发生破断，后期会导致整个支护系统受力增加，最终支护失效。

3.3 支护材料选型

3.3.1 锚杆托盘强度低

从井下的矿压显现特征来看，当锚杆受力较大的情况下，锚杆托盘发生大量翻盘现象，锚杆托盘强度低。锚杆托盘的翻盘，会导致锚杆受力突然下降，严重时甚至丧失，不能有效控制围岩变形，围岩整体变形量大。

3.3.2 帮锚杆的施工出现三径不匹配的问题

帮锚杆采用钻头为直径38mm的煤电钻打眼，而这时锚杆的直径为20mm，锚固剂选用直径为35mm，由MT/T 1104—2009《煤巷锚杆支护技术规范》明确要求钻孔直径和锚杆杆体直径之差应为6mm～10mm，钻孔直径与树脂锚固剂直径之差应为4mm～8mm，其余的视为三径不匹配问题。很明显钻孔直径大锚杆直径11mm，超出了技术规范的要求。

3.4 现场施工质量

3.4.1 锚杆预紧力低

巷道在施工过程中要求锚杆的安装预紧力为50kN，预紧力是锚网索主动支护的源泉，较小的预紧力不能控制围岩的初期变形，裂隙向深部扩展，围岩的整体性受到破坏，容易造成后期锚固失效，巷道容易出现整体变形。

3.4.2 要求锚杆的锚固段的拉拔力太低

根据新的行业标准MT 146.2-2011《树脂锚杆金属杆体及其附件》要求，锚杆的锚固力至少要大于锚杆屈服强度的1.2倍，也就是Φ20普强锚杆的拉拔力至少要求在150kN。

3.5 风化对巷道裸露岩体破坏

根据010607回顺现场顶板破碎情况分析，顶板在受到应力的影响下会发生变形，遇水会发生膨胀，受风化影响煤层顶板岩层裂隙发育、岩体孔隙率高和强度衰减速度快、自稳性能与承载能力差，造成顶板破碎。

3.6 巷道返修方案

巷道返修常采用11#矿工钢配合单体液压支柱棚子与锚网索支护形式相结合的联合支护方式。该项方案只能解决顶板不在继续下沉，对于顶板破碎、整体抗压方面不能提供很好的保证，所以不能作为巷道永久支护的可行性方案。

4 设计优化改变支护形式后取得的成果

根据目前回顺巷道锚网索支护方案出现的问题，我们对从以下几个方面进行设计调整，优化支护设计，加强锚网索支护取得了一定的效果：

4.1 调整工作面间隔煤柱

根据010607回顺的现场实际情况，我们在同水平010610综采工作面回顺掘进时将工作面间隔煤柱由原来的12m调整为6m，缩短了工作面的间隔煤柱。这样将应力区对巷道的主要影响区域转移至工作面6m处，降低了应力区对巷道支护的影响。

4.2 改变巷道断面形状

我公司在010610回顺巷道采用断面均为三心拱，采用锚网（锚索、钢带）联合支护，从巷道整体抗压性上进行了改进，在后期才过程中证明该种巷道形式可以满足生产需要，与相邻010608综采工作面比较，该工作面回顺共进行巷道返修3次，架设工字钢棚1800架。而010610回顺截至发稿日期仅在断层破碎带附近及局部架设钢棚160架，巷道维护也主要为对底板鼓起地点进行清理工作，极大的缩小了巷道维护工作。具体支护形式见图5。

4.3 根据煤岩赋存情况优化支护设计

经过验算，我们更改了巷道使用支护材料，使用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其杆体规格为：杆体直径22mm，拱部杆体长度2500mm，巷帮使用Φ22×2200mm和Φ22×1200mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，铁托板采用10mm厚钢板加工，规格200×200×10mm，中部开孔Φ24mm。锚索使用Ф21.6m钢绞线加工，加工长度：7000mm，铁托板采用12mm厚钢板加工，规格300×300×12mm，中部钻孔Ф26mm。（表1）

4.4 围岩表面封闭

采用薄喷材料对巷道围岩表面进行封闭，减少水及潮湿空气对围岩的影响，保证围岩的整体强度。

5 目前存在的问题及我公司提出的解决方案

010610工作面回风顺槽过断层段巷道掘进完以后变形首先发生在巷道两肩窝的位置，破碎外凸严重，但未出现锚杆破断现象。锚杆受力较大的位置出现托盘翻盘现象严重。后期由于受于断层附近有淋水现象和相邻采区渗水的影响，同时巷道在掘进过程中出现相邻采空区的水通过工作面之间的煤柱渗透到顺槽底板，巷道整体变形较大，虽经多次返修仍不能控制巷道的稳定。

针对过断层期间出现的问题及我公司改进后的做法，我们提出了《构造复杂区高泥质软岩沿空巷道亲泥性锚注加固实施方案》，本设计方案采用“高预紧力锚网支护与亲泥性注浆加固技术”，从巷道的初次支护、表面封闭、隔离采空区水以及泥岩改性等方面对加固方案进行探讨，以保证巷道在回采时能够保证围岩的稳定。

“高预紧力亲泥性锚注加固技术”分为三步：高预紧力锚网索支护、表面薄喷封闭以及亲泥性注浆加固。具体的实施方案如下：

工作思路：①初次支护必须对巷道矿压特点进行分析，有针对性的进行支护设计，同时采用高预紧力锚杆对巷道围岩进行支护，以减少围岩的初期变形，保证围岩的整体性。

②喷浆封闭。采用薄喷材料对围岩进行封闭，以减少水及潮湿空气对围岩强度的影响。

③通过采用亲泥性注浆材料对围岩进行注浆加固，起到隔离采空区水及围岩表面改性的作用，与高预紧力支护系统共同作用，避免围岩出现持续性变形。

支护布置方式见图7。

④巷道施工完毕后，在工作面迎头后方对巷道进行薄喷表面封堵。要求滞后迎头100m，一次薄喷长度为50m。薄喷主要目的为减少水和空气对巷道内部泥质软岩的影响。表面封堵采用“薄喷专用”材料，喷层厚度为4～7mm。

6 结论

针对010610工作面回顺掘进时，由于支护不当所导致的煤层顶板下沉、两帮整体变形、巷道底鼓等问题，通过调整工作面间隔煤柱，改变巷道断面形状，根据煤岩赋存情况优化支护设计，围岩表面封闭等措施，调整了返修方案，提高了巷道支护强度，有效解决了上述问题，保证了正常作业进度，同时大幅度降低了返修成本，提高了回采效益。鉴于本文所述改进方案取得实效，建议将本套方案进一步推广到回采作业中，以提高全矿业的生产效率。

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