复杂矿压下巷道软岩支护技术研究与应用

杨刚

摘  要：基于杉木树煤矿开采强度和深度的日益增加，动压影响的加剧，传统支护体系下巷道底鼓片帮严重，该矿以N26采区轨道下山工程实践为背景，通过应用理论分析和现场观测的手段，研究了复杂矿压下的巷道软岩支护的技术，并在现场试验了采用“高强预应力锚杆﹢W型钢带﹢锚索”的支护方案，通过近150天的观测，最大变形量34mm，主要是较微底鼓造的。实现了复杂矿压下巷道软岩巷道的可靠维护，为今后深部水平的巷道支护提供科学的理论依据。

关键词：软岩巷道  破坏特征  支护原则  高强预应力锚杆  支护质量要点

中图分类号：TD235                           文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）12（c）-0068-03

Abstract： In this paper， based on the theory of high-strength support and the application of high-strength support system in the field of soft rock mining in Shanmushu Coal Mine， the application of high-strength support technology in the field of soft rock support under the influence of high-strength support system in the field of soft rock support and support in the field was increased According to the observation of nearly 150 days， the maximum deformation is 34mm， which is mainly caused by the slight floor heave. It realizes the reliable maintenance of soft rock roadway under complex mine pressure， and provides scientific theoretical basis for deep level roadway support in the future.

Key Words： Soft rock roadway; Failure characteristics; Support principle; High strength prestressed anchor; Key points of support quality

四川芙蓉集团杉木树煤矿地质构造十分复杂，是一座具有煤与瓦斯严重突出的矿井。矿井煤系地层受燕山运动的挤压作用，形成了逆断层为主的断裂构造，井田范围内的断层发育较为广泛。自建井投产至今，共揭露大小断层1400条，平均每1km2就有25.4条，这使煤系地层中普遍存在煤层重复、缺失、增厚或变薄，甚至不可采的现象，极大影响了工作面回采巷道优化布置、巷道支护和机械化开采的普及。

此外，煤系地层普遍存在地质构造破碎带，围岩破碎松散。同时，煤层底板大多为粘土岩和泥质胶结的砂岩，此类岩层强度低、变形大，遇水软化甚至膨胀，属于典型的软岩。由于软岩巷道围岩本身的复杂性，加上构造应力和采动应力的复合效应，使得白皎矿软岩巷道支护长期以来成为制约矿区安全高效生产的重大技术难题。

然而，到目前为止，杉木树煤矿巷道围岩的岩石力学性质和采动巷道围破坏机理尚不清楚，相应的巷道支护对策缺乏科学的依据。对于此类高突矿井复杂矿压条件下的软岩支护问题，随围岩、地应力和开采方法的不同影响而具有明显的个性，难以套用现成的方案以达到合理的技术经济效果，国内外尚无成熟的可直接采用的理论和技术，开展科技攻关十分必要。

综上所述， 研究巷道的变形破坏机理，优化井巷布置与治灾手段配套，确定经济有效的支护方法，解决复杂高应力状态下的软岩支护技术，是杉木树煤矿面临的紧迫而重大的技术难题。开展高突矿井复杂地压条件下的巷道软岩支护技术的研究，对具有直接实践意义，并丰富和发展了软岩巷道支护技术。

1  采准巷道变形破坏特征

采区下山和底板道距离煤层底板30～40m左右。岩石巷道的主要变形特征是两帮移近量和顶底移近量都达到0.8～1.0m，有些巷道多次翻修仍然有破坏，变形主要是底鼓和片帮。

2  巷道破坏及变形规律

2.1 围岩内部变形

通過对下山巷道围岩内部的位移观测可知，巷道顶部4m以内的基点位移与5m以上的基点位移不同步，说明发生松动离层，巷道顶部松动高度大于4m（图1）。同理，巷帮松动范围大于3.0m（图2），说明巷道围岩松动范围属于大松动圈。巷道顶部采用了锚索加强支护，效果明显。巷道两帮未进行加强支护，巷道鼓帮较为严重。

2.2 采动影响

（1）单侧采动比煤柱集中压力的影响小，煤柱中心下巷道围岩变形最大。

（2）开采二煤层的影响最大，开采四煤层时的动压作用已经十分轻微。

（3） 底鼓明显，底臌量为顶底移近量的60%。最大顶底移动速度35.5mm/d，最大顶底移近量达486mm;最大两帮移近速度为9mm/d，最大两帮移近量达213mm。

（4）底板巷道距煤层底板深度在20～25m时，单侧采动只产生一般破坏作用。当巷道距离煤层深度大于30m时，基本不受到动压的影响。

2.3 粘土岩的膨胀性影响

可采煤层底板几乎全是粘土岩，具有强度低、强流变和明显的遇水膨胀性，导致巷道在无采动影响下也严重破坏，难以正常使用。如果加上构造应力和采动影响，则巷道破坏将更加严重。

3  巷道锚杆支护技术方案

3.1 支护设计的原则

（1）优化断面，对于含粘土岩地段，考虑底板反拱。

（2）加强底板和两帮控制，维护顶板。

（3）封闭围岩表面，加强防护，控制软岩膨胀性。

（4）强调预紧力，增强锚杆能力，合理布局锚杆系统。

断面的优化，重点将底板实施反拱，增强底板抗变形能力，加强巷道整体稳定性，根据模拟实验，反拱深度取700mm。

3.2 支护参数

（1）锚杆系统：A3圆钢;Φ20×2400mm。

（2）锚杆间排距：间距为800mm，排距800mm。

（3）锚杆预紧力：施加110N.m的力矩。

（4）金属网和钢带：

金属网：10#铁丝编制，规格800×2000mm，网目50×50mm.。

钢带：280mm宽3mm厚W型钢带;或同等强度的Φ16钢筋梁。

（5）锚索：

锚索直径：15.24mm。

锚索间距：单排布置，间距1600mm。

锚索锚固力：工作阻力180 kN，锚索预紧力70kN。

锚索锚固长度：800 mm，采用1支Z2380树脂药卷。

锚索长度：6000mm。

（6）喷浆：喷浆封闭巷道。

3.3 支护质量要点

（1）断面成型是锚网支护质量的基础，应当采用光面爆破确保断面规整。

（2）锚网支护的优势是主动支护，必须保障每根锚杆都具有2t以上初锚力，锚索预紧力必须达到6t以上。

（3）泥岩和粘土岩遇水软化膨胀严重，及时封闭底板，是支护成功的关键。

（4）做好巷道变形观测，为今后调整和优化支护提供依据。

4  巷道支护方案实施与观测研究

4.1 支护方案实施对象

为了验证矿井巷道支护参数优化设计的正确性，在矿区内选择相应的23采区轨道下山巷道实施支护方案并实测其效果，以达到理论指导实践的目的。为保证实测结果的可靠性，所选择的实测巷道是正在掘进的岩石巷道。

4.2 观测内容

（1）测定巷道顶底板及两帮的相对移近量及移动速度。

（2）测定巷道顶板及侧帮的围岩内变位移量及位移速度。

（3）测定全长粘结锚固时各段锚杆体的受力情况。

5  变形观测结果

下山巷道由于选择层较为稳定的细砂岩中，具有很好的稳定性，采用锚网支护手段是可行的，通过近150d的观测，最大变形量34mm，主要是较微底鼓造成的。

6  结论

（1）巷道变形破坏的主要特征是底鼓明显，巷道破坏典型类型有底鼓型、底鼓两帮移近型和两帮移近型。巷道变形普遍受岩性和构造应力影响。回采巷道主要受采动影响，其次是受底板软岩的影响。下山巷道和底板道主要受软岩的影响，其次是构造应力的影响，最后是采动影响。

（2）下山巷道的主要变形特征是底鼓、两帮收缩变形，巷道围岩收敛量一般可达600～900mm。巷道破坏的机理是底鼓导致两帮松动，进一步引起顶板破坏，巷道支护的重点是加强对底板和两帮的控制。

（3）下山巷道支护可采用Φ20-2400金属锚杆，锚杆间排距800mm，顶板采用6000mm锚索按照1600mm排距进行加强支护，配合金属网和钢带形成系统支护，并封闭围岩表面。对于岩性变差时，可以采用底板反拱加锚固方式进行全断面封闭支护。

参考文献

[1] 冯国瑞，白锦文，史旭东，等.遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论及其应用展望[J/OL].煤炭学报：1-17[2020-09-08].https：//doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2020.0927.

[2] 李剑锋，罗武贤，李兵，等.千米工作面煤层合并区应力演化与防冲技术研究[J/OL].煤炭科学技术：1-8[2020-09-08].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2402.TD.20200730.1429.008.html.

[3] 楊登峰，张拥军，徐文协，等.大采高浅埋煤层工作面矿压显现特征模拟及试验分析[J].科学技术与工程，2020，20（20）：8099-8106.

[4] 曹广远，曹品伟.泉店煤矿大采高综采工作面矿压显现规律实测研究[J].能源技术与管理，2020，45（3）：78-81.

[5] 尹希文.浅埋煤层超大采高覆岩“切落体”结构研究及应用[D].北京：煤炭科学研究总院，2020.

[6] 李鹏.沟谷地形厚煤层开采覆岩裂隙发育特征与径流水害防治机理研究[D].徐州：中国矿业大学，2019.