王坡矿软岩巷道定量让压支护稳定性控制技术

吉少卿

(山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021)

由于我国煤层开采深度的不断增加和开采条件的日益复杂，开采过程中遇到很多软岩巷道，软岩巷道强度低、结构破碎，传统支护方法难以控制，如何解决软岩巷道围岩变形是目前急需解决的问题。目前，国内外学者对软岩巷道破坏机理及治理措施展开相关研究：西原[1]提出了岩石变形与时间关系的弹性—黏塑性模型，研究了岩石蠕变变形与时间有关的岩石形态，并建立了力学本构模型，称为西原蠕变模型；王志俭等[2]对泥岩进行三轴蠕变实验，提出了相应的流变模型，获得了泥岩蠕变的强度指标；韩立军等[3]对砂岩进行单轴蠕变实验，建立了砂岩的非线性黏弹塑性蠕变模型；在软岩巷道治理方面，目前支护技术包括锚喷支护、锚注支护、棚式支护等[4]. 其中，棚式支护已经广泛应用于采矿工程、建筑工程等诸多领域，具有强度高、整体稳定性好的特点。本文主要针对王坡矿3210工作面软岩巷道的具体情况，提出让压支护技术，并对支护方案的具体参数进行了分析研究，以保证巷道围岩的稳定性。

1 工程概况

王坡矿3210工作面，主采3#煤层，位于二叠系下统山西组下部，平均埋藏深度500～600 m，煤层均厚为5.76 m，煤层倾角为2°～10°. 工作面运输巷断面形状为矩形，净宽为5.0 m，净高3.4 m，巷道的长度约为2 278 m. 3#煤层伪顶为碳质泥岩，约0.1 m；直接顶多为泥岩，均厚2.0 m；基本顶为砂岩，均厚9 m；底板为粉砂质泥岩，均厚8.5 m，具体煤层顶底板岩层情况见表1.

表1 顶底板岩层性质表

王坡矿3210工作面运输巷围岩裂隙较发育，局部围岩极其松软破碎，又由于煤层上方直接顶为泥岩，极易风化，故巷道在原本设计掘进的矩形断面时，顶板岩体易垮落，矩形断面成形不好，基于巷道围岩支护自稳的平衡拱理论，在后期掘进过程中调整巷道断面形状为拱形。拱形断面的参数为长5 000 mm×高4 300 mm，巷道采用锚网索支护，锚杆采用d20 mm×3 000 mm的螺纹钢锚杆，间排距为700 mm×700 mm，锚索采用d18.9 mm×8 000 mm的钢绞线，间排距为1 400 mm×1 400 mm，具体巷道支护参数见图1. 根据巷道变形破坏特征的现场调研发现，巷道在现有锚网索支护方式下，支护效果差，锁具处锚索易断裂，且支护系统缺乏让压性，巷道围岩变形严重，急需进一步采取有效的补强支护措施保证巷道围岩的稳定性。

图1 运输巷道原支护示意图

2 软岩巷道定量让压支护参数确定

2.1 定量让压支护机理

软岩巷道具有强度较低、结构破碎等特点，现有的支护理论不能很好地控制围岩的稳定性。因此，提出了软岩巷道定量让压支护技术，合理的让压空间可以让软弱围岩中储蓄的能量得到有效地释放[5]. 定量让压支护原理：一次支护使围岩具有柔性抗压强度，二次支护预留让压空间，实现定量高强抗压，抵抗围岩变形。

让压支护原理具有多级性，具体的支护方法有：1) 一次支护。巷道开挖在进行锚杆支护后，再用短锚索对浅部围岩进行锚固，长锚索对深部围岩进行锚固实现多级有强让压，让压空间充填可以防止应力集中损坏支架，使钢支架更有效地发挥抗压效果，实现一次支护与支架相耦合，提高围岩支护能力[6]. 2) 二次支护。利用高强支架提高围岩表面抗压能力，有效控制巷道围岩的变形，保证巷道安全。

2.2 支护时机与让压空间大小的确定

软岩的蠕变性是软岩的重要力学特性之一，为了分析软岩巷道围岩损伤变形机理，选择具有弹性、松弛、蠕变特征的西原蠕变模型。西原蠕变模型由黏弹体、黏塑性体、虎克体原件串联组成，具体模型见图2.

图2 西原蠕变模型图

对平面应变问题，当σ0<σs时，引入损伤变量ωp的西原模型可建立蠕变方程：

(1)

式中：

E1、E2—弹性常数；

η—黏滞系数；

ε—西原模型总应变；

ωp—为损伤变量；

σ0—应力。

对式(1)进行拉普拉斯变换，然后求导，可得围岩蠕变的变形速率为：

(2)

损伤变量ωp表示岩石破坏程度，当ωp=0时，岩石完好无损；当ωp=1时，岩石已经完全破坏，对于软岩主要受时间影响，因此蠕变模型中王坡矿的长期损伤变量为：

(3)

3210工作面埋深约550 m，垂直应力σ0=16.53 MPa，通过三轴压力机测得软岩弹性模量E1=1.23 GPa，E2=2.14 GPa，黏滞参数η=210 GPa·h.

由式(2)得到围岩蠕变速率ur(t)=0.158 mm/d=0.006 mm/h. 3210工作面运输巷断面形状为矩形，净宽5.0 m，净高3.4 m，将实验测得E1、E2带入式(3)，得到长期损伤变量ω∞=0.64. 再把ω∞带入式(2)，得到t=472.5，约为20 d，即二次支护最佳时间为一次支护后20 d. 在第一次支护强度为0.4 MPa时，再将ω∞带入式(1)，得到20 d后围岩变形量ε=300 mm，即让压空间为300 mm.

3 巷道围岩控制技术及效果

3.1 支护方案设计

巷道原先采用锚网索支护，支护效果不理想。在确定了巷道定量让压支护参数的基础上，并结合现场实际情况对支护方案及参数进行改进：首先对锚杆锚索参数进行调整，形成“锚杆+长短锚索”的支护方式，实现多级有强让压支护；然后预留合理让压空间，选用高强支架进行二次让压支护，形成“让压层+U 型钢支架”的支护结构。其具体支护参数如下：

1) 一次支护。

3210工作面运输巷基本支护参数：采用d20 mm×2 400 mm螺纹钢锚杆，每排18根，锚杆排间距700 mm×700 mm，并加设长度为2 200 mm的d16 mm的钢筋托梁，其中顶锚杆安装时与顶板成90°夹角，底锚杆安装与水平方向成15°夹角。根据3210工作面顶板的岩层特征，为进一步有效控制直接顶岩层的稳定，故短锚索采用d20 mm×5 300 mm的预应力锚索，为控制基本顶中厚度约1.2 m软弱夹层的稳定，故选用长锚索，采用d20 mm×8 300 mm的预应力锚索，选用300 mm×300 mm×16 mm的锚索托盘，并铺设金属网片。

2) 二次让压支护。

3210工作面运输巷道拱形断面的参数为长5 000 mm×高4 300 mm，选用U型钢架进行二次支护。由U形钢架特性可知，U形钢架截面越大，相应的抗压强度系数也就越高。根据3210工作面运输巷的具体地质情况，确定选用U36型钢架，棚架间距离为700 mm，钢棚采用撑杆连接，并在底板处设置底梁，将底梁与U36型钢架连接整体结构，另外理论分析可知，巷道在基本支护后20 d进行二次让压支护，预留让压空间300 mm时对巷道围岩的控制性效果较好，具体巷道支护断面图见图3.

图3 支护断面图

3.2 工业性效果分析

为了检验巷道优化后的支护效果，沿3210运输顺槽巷道轴向20 m、70 m、120 m处安装3个监测站，对3210工作面运输顺槽表面位移量进行持续监测直至数据基本稳定，得出3210工作面运输顺槽50 d的矿压监测结果，顶底板移近量、两帮移近量曲线图见图4.

图4 围岩表面位移量曲线图

由图4可以看出，顶底板移近量和两帮移近量变化趋势相近，在20 d内移近量速度较快，在20～30 d移近量虽然有所增加，但是变化速度明显降低，在30 d后移近量基本达到稳定，不再变化，顶底板最大移近量135.8 mm，两帮最大移近量105.6 mm. 显然，U 型钢支架没有发生破坏，说明采用“让压层+U 型钢支架”的支护方案能够有效地控制围岩变形。

4 结 论

针对2310工作面运输顺槽软岩巷道局部围岩松软破碎的情况，调整断面形状为拱形，提出了定量让压支护技术，通过理论分析确定了二次让压最佳支护时间为基本支护后20 d，让压支护空间为300 mm，并对2310工作面顺槽“让压层+U型钢支架”的支护参数进行具体设计。根据矿压结果可知，巷道采用“让压层+U型钢支架”的支护方案后，顶底板的最大移近量为135.8 mm，两帮的最大移近量为105.6 mm，保证了巷道围岩的长期稳定。