复杂条件下薄煤层开采巷道围岩控制问题及对策

陈旭明

摘 要：针对南方复杂地质条件薄煤层开采巷道难控制的问题，文章以含春煤矿薄煤层开采为例，分析了薄煤层开采巷道围岩控制中存在的问题及巷道变形破坏特征，并针对性地提出复杂条件下薄煤层开采巷道的控制对策及支护技术。工程实践表明，应用新支护技术后巷道围岩变形得到有效控制，支护体受力情况良好，能够保证围岩结构的长时间稳定性。

关键词：复杂地质条件；薄煤层；软弱围岩；巷道支护

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）17-0171-02

相较于北方大型煤炭生产基地，南方煤炭资源十分有限，而考虑地区民用需求则必须保证一定数量的煤矿开采。就南方煤炭资源分布情况而言，煤层厚度在2 m以下薄煤层占有相当大的比例，且多处煤层赋存条件较为复杂。

复杂条件薄煤层开采面临的主要问题包括瓦斯和软岩，由于近年来对瓦斯问题的高度重度，瓦斯事故已而到有效控制；而南方软岩巷道围岩稳定性控制一直得不到保障，甚至在很大程度上成为限制煤矿生产效率、生产成本的关键因素。

研究复杂条件下软岩巷道新的支护方法，对南方薄煤层资源开发具有重要理论意义和应用价值。

1 复杂条件薄煤层开采巷道支护问题变形特征

1.1 巷道支护问题

相较于北方大型煤矿，南方煤矿由于地质条件复杂、井型小、煤质差以及其他人为因素，使得巷道支护存在很大问题。首先，巷道支护方案与参数存在盲目性，矿井巷道支护凭经验进行设计，使得巷道支护刚度不够，支护结构不合理。

其次，支护时机选择不合理，尤其对于巷道掘进后的一次与二次支护，不能确定有效的支护时机。同时，人为因素造成的巷道施工质量的不合格，亦是造成薄煤层开采巷道围岩难控制的重要因素。

1.2 巷道变形破坏特征

对矿井巷道地质情况进行分析发现，巷道变形破坏特征主要为以下几个方面：

①巷道的破坏主要集中在帮角与底角位置，此方向为应力集中最大区域；巷道破坏形式以剪切破坏为主，在巷道围岩浅层表面会出现小范围的剪切破坏带，但随着应力加载时间的延长，剪切破坏带规模会逐渐扩大并相互贯通，形成大范围塑形破坏。

②两道两帮移近量大，且两帮中下部鼓出严重。帮部围岩在变形过程中，支护体会随着围岩发生整体外移现象。巷道两帮变形不协调，中下部变形严重，上部变形程度则相对较弱。两帮在高侧压力作用下发生严重变形，中下部鼓起、垮落，巷道断面被挤成尖桃形，如图1所示。

复合顶板下沉严重。顶板中央下沉位移量较大，造成棚式支护变形扭曲，锚网支护体下沉变形，如图2所示。

2 复杂条件下薄煤层开采巷道围岩控制

①调动深部围岩承载能力。对巷道断面关键部位进行补强支护，在两肩与两窝位置施以锚索加强支护，改善集中压缩区围岩受力情况，并调动深部岩体的承载能力。

②强化两帮护表作用。巷道两帮以破碎煤体为主，并交替有煤岩体，结构整体性较差。通过在巷道表面采取措施，增加巷道两帮护表作用力，增加支护受力面积，并降低帮部应力集中程度，达到提高两帮承载能力的目的。

③让抗结合，协调支护结构与围岩变形。半煤岩巷变形具有不均匀性，支护初期做到适当让压，并及时实施高阻抗压，避免围岩过度变形。

④提升围岩结构整体稳定性。对巷道圍岩不同部位采取不同支护策略，两帮应提高支护阻力，限制帮部的大变形；顶板控制中应注意支护结构的初始阻力；底板应参考“0”位移点，避免帮脚出现围岩的挤压变形。

⑤分层次、有控支护。巷道支护的两个重要原则是充分发挥围岩的自承能力和有效释放膨胀变形能，二者在实施过程中存在矛盾性，如何将二者有效结合将是巷道支护的关键，而在支护中表现为确定合理的分层支护形式与时间。

⑥注浆加固破碎区。注浆对于复杂条件下半煤岩巷破碎围岩的加固具有重要作用，能够维护围岩整体稳定，将围岩松动圈转变为承载圈。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

含春煤矿位于福建省永春县，矿井设计生产能力为24万t/a。矿井可采煤层较多，且煤层厚度均不超过2 m。矿井划分三个采区对煤层资源进行回收，含一采区与含二采区开采已经接近尾声；现阶段进行含三采区+540 m、+510 m两个生产区段，+485 m和+460 m区段处于开拓阶段。含三采区所在层位主要为粉砂岩，受断裂褶皱地质构造影响，节理裂隙发育程度较高。煤层顶底板岩石属软硬相间的工程地质岩组，稳固性中等。集中运输大巷断面形状为半圆拱，净断面尺寸为2.3 m×2.33 m（宽×高）。主要沿煤巷道支护采用普通锚杆、棚式支护，支护初期两帮就鼓起与冒落，在高应力与采动影响双重作用下巷道变形严重，已影响到正常生产工作的接替。

3.2 叠加拱“长、短”密集锚索支护

结合围岩破坏情况与巷道控制策略，设计对巷道围岩实施叠加拱“长、短”密集锚索支护，支护方案，如图3所示。巷道围岩较为破碎，巷道掘进后对其进行密集型锚索支护，形成承载结构的内部压缩拱；在此基础上，对巷道关键部位施以长锚索加强支护，强化原有压缩拱承载能力，并且新密集型长锚索又能形成较大范围的压缩拱，协调深部围岩保证浅部压缩拱的支护有效性。

3.3 支护参数

全断面短锚索打设数量为根，规格为17.8 mm×4 000 mm，间排距为800 mm×1 600 mm，上下帮角位置锚索各偏移30

～50 °。金属网需具备一定的柔性，型号选用，网格为；钢带选用12～2 000 mm×1 000 mm，厚度为6 mm，排距控制在1 500 mm；梯子梁采用螺纹钢，直径可选用14 mm或16 mm，排距控制在1 500 mm，须保证梯子梁的搭接长度超过100 mm。长锚索数量为5根，型号为17.8 mm×7 000 mm。

3.4 工程支护效果

对支护方案实施后围岩表面收敛位移进行观测，为期90天，结果如图4所示。

分析上图可知，巷道顶底板与两帮变形均较小，两帮变形量110～125 mm，顶底板移近量40～50 mm，巷道围岩变形均在安全允许范围内。而由围岩变形曲线波动情况得到，围岩变形经历了三个阶段，即急速增长、缓慢增长和趋于稳定。急速增长阶段（2 ～20 d），此阶段的围岩变形量占到了整个围岩变形量的多大部分，约为%。缓慢增长阶段（20 ～60 d），这一阶段的两帮和顶底板变形量为20 mm和13 mm，表明：随着围岩变形，锚索支护阻力逐渐增加，提高了支护体的承载能力；变形稳定阶段的围岩变形速率及变形量均非常小，逐步达到稳定状态。

4 结 语

巷道的破坏主要集中在帮角与底角位置，破坏形式以剪切破坏为主。围岩浅层首先出现小范围的剪切破坏带，并随着时间的增加，剪切破坏带规模会逐渐扩大并相互贯通，形成大范围塑形破坏。同时，巷道两帮变形不协调，顶板后期亦会出现明显下沉变形。

叠加拱“长、短”密集锚杆支护能够形成一个连续的承载结构，短密锚杆支护形成内承载结构；外部密集型锚索形成外承载结构，调动深部围岩承载能力，共同确保内承载结构的支护稳定性。

含春煤矿主要集运巷、沿煤巷支护实践表明，新支护方案实施后，巷道围岩变形得到有效控制（兩帮收敛110～125 mm，顶底移近量40～50 mm），支护体受力情况良好，巷道未出现明显围岩变形及底鼓现象。叠加拱“长、短”密集锚索支护在复杂条件薄煤层开采巷道支护中的应用具有推广价值，能够控制半煤岩巷道变形与稳定。

参考文献：

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