深部大断面“三软”煤巷支护技术研究

王广林/乌鲁木齐环鹏有限公司矿业分公司



深部大断面“三软”煤巷支护技术研究

王广林/乌鲁木齐环鹏有限公司矿业分公司

【摘 要】针对四井田煤矿03工作面大断面煤巷条件，分析了“三软”煤层厚度与强度、煤层倾角对煤巷围岩稳定性的影响，认为减弱冲击矿压强度、频率与减小巷道自稳隐形拱内围岩变形是控制巷道稳定性的关键，提出了“三软”煤巷稳定性控制的综合治理对策。现场实践表明，上述方法有效控制了巷道的变形，成功地解决了大断面“三软”煤巷的支护问题，具有广阔的推广应用前景。

【关键词】大断面煤巷；三软；综合治理

引言

四井田煤矿煤层特厚，为“三软”煤层，综放面回采巷道沿底掘进，受高地应力和冲击矿压冲击波复合作用的影响，巷道变形量大，失修严重，维护困难，因此，有必要对巷道变形失稳的原因进行分析，制定合理的支护对策，以有效控制巷道变形，保证生产安全。

1.工程概况

03综放工作面开采4#煤层，工作面为“三软”煤层，煤尘爆炸指数为47.2%，煤层易自燃，发火期一般为三至六个月，最短为7d，煤层平均倾角为30°，厚度5.20－18.49平均18m，煤层直接顶板为粉砂岩，厚度11.74m，老顶以粉砂岩为主，具有透水性，煤层综合柱状图见图1。

考虑通风和巷道后期收敛等影响，巷道采用净断面6.5m2的拱型断面，砌碹料石支护。 由于开采深度大，EA03下巷掘进施工中冲击地压发生的频率和危害程度大幅提高，巷道变形严重，顶板下沉量一般在10～15 mm/d，最大下沉量为25 mm/d。底鼓量为7～17 mm/d。整条巷道前掘后修，施工进度慢，人力、材料浪费严重，安全生产条件恶化。

图1　煤层综合柱状图

2.煤巷稳定性的影响因素分析

（1）煤层厚度与强度。煤层厚度大，强度低，底板巷道自稳隐形拱高度大。巷道开掘后，顶板出现片帮冒顶现象，这种冒落一般情况下不会是无限的，最终必然达到相对平衡状态，这种现象称之为巷道的自稳现象，对巷道的支护就是对巷道在达到相对稳定平衡过程中自稳隐形拱内出现片帮冒顶的维护，保证在这一过程中只产生变形而不出现片帮冒落[1,2]。巷道自稳隐形拱的极限高度可用公式(1)求得，根据03工作面条件，煤层顶板抗拉强度σ2为1.41MPa；巷道顶部垂直地压为8.93MPa；煤层松泊比为0.272，巷道断面最大宽度为3.5m，净高度hw为2.7m，取x=0，得ylid=6.2 m，极限自稳隐形拱距巷道顶板的最大深度6.2-1.7 = 4.5 m。

如图2所示，巷道的极限自稳隐形拱高度已超过巷道顶板4.5m，极限隐形拱的与人工开挖承载拱的高度差达到5m以上，也就是说锚杆采用加长的办法不能解决锚杆失效和顶板整体下沉问题。

图2　03综放面运输巷自稳隐形拱示意图

（2）煤层倾角。倾角大，厚度大，水平分力较大，导致拱形支架失稳严重。如图3所示，上覆岩层对支架的作用力F，可分解为沿铅垂方向的力F1=Fcosα和沿水平方向的力F2=Fsinα，F1使拱形支架下沉，而F2使拱形支架受剪切破坏，支架有向巷道上帮偏移的趋势，煤层倾角越大，F1越大，巷道变形破坏越大，支架向巷道上帮偏移量越多。

图3　拱形支架变形破坏素描图

3.煤巷围岩稳定性综合控制技术

在全面分析大断面“三软”型煤巷掘进和回采的实际情况，经过理论计算、支架、锚杆受力方向和变形分析，认为采用深孔爆破卸压与锚索—架—梁—喷的综合控制技术，可有效减小巷道变形破坏。

（1）采用深孔卸压爆破技术。目前常用的措施有两种，一是动压注水；二是深孔卸压爆破。动压注水是利用高压水将煤体压碎，在巷道周围煤岩体上形成一个弱化带，从而吸收冲击能量。由于注水的压强较大，湿润半径在10m 左右（即注水形成的弱化范围），其副作用就是煤体被压碎湿润后，锚杆的锚固力会大幅度下降，特别是随时间的增加，锚杆失效会加剧，有可能是锚网完全丧失应有的支护能力。深孔卸压爆破技术是在巷道表面以里8～10 m之间，人为制造宽度2 ～3 m 的弱化带，在巷道表面以里形成一个8m宽的内强圈，利用锚网支护形成一个自然承载拱。上述两种方法在采用深孔爆破卸压措施，以利于大断面煤巷维护。

（2）采用锚索补强支护，进一步控制巷道围岩变形量。根据利用自然隐形拱理论计算结果和巷道巷拱形支架模拟变形受力分析，单纯依靠增加锚杆长度已不能满足支护的需要，较为合理的方法是采用锚索补强支护的方式。锚索的参数选择应根据巷道极限自稳隐形拱距巷道顶部的距离为7.5 m来确定，原则上锚索必须打入到极限自稳隐形拱以外超过2 m ，外露长度加上锚索梁的厚度为0.5m ，锚索的计算长度为14m-16，取16m。顶部一排布置3根锚索，间、排距选1.2m×2.4m。锚索钻孔Ø28mm，配CK2370四节树脂锚固剂，锚索采用 Ø 15.24×16 m 钢绞线，锚索方向上偏10°～15°，排距2.4m为宜。

（3）布置工字钢横梁，增加拱形支架的抗剪能力。为提高煤巷巷道支护设计的36U拱形支架的抗侧压能力，在保证支架柱腿具有5°以上的扎角和200～300mm的让压距离以外，还应在原支架拱形梁搭接口处安装用11 #）矿工钢制作的横（撑）梁，有效控制拱形支架受侧压引起的变形破坏。如图4所示，矿工钢制作的横（撑）梁下平面到巷道底板高度为2.7m。

图4　抗侧压型36U拱形支架制作装配图

（4）巷道围岩喷浆封闭。为阻止巷道围岩（锚固煤层）离层碎涨，延长巷道使用寿命，在锚索安装施工完成后的一个月之内，采用灰砂比为1∶2.5的水泥砂浆对巷道及时喷浆封闭，喷浆厚度不小于150 mm。

4.结论

（1）随着煤炭开采强度的增大，矿井开采深度快速增加，巷道维护的难度增大，研究深部大断面冲击型煤巷围岩稳定性的主要影响因素，提出了综合的治理方案，对“三软”型煤巷治理具有重要意义。

（2）采深大、地应力高，煤层厚、强度低，煤层倾角大与锚杆未能有效控制松动围岩变形是导致大断面冲击型煤巷围岩变形破坏的主要原因。

参考文献：

[1]惠兴田，韦正范，苏培莉.自稳隐形拱的研究与应用[J].矿业研究与开发，2006，33(6)：38～40.

[2]邓坤，惠兴田，韦正范.基于自稳隐形拱原理的锚杆支护设计[J].中国矿业，2007，16(2)：57～62.