滑动构造区三软强变形煤层巷道变形破坏规律研究

崔正庭

（登封市仟祥煤业有限责任公司，河南 登封 452470）

滑动构造区三软煤层工作面上下付巷受到采动[1]等因素的影响，巷道变形剧烈，不能满足安全生产的需求。返修率达到 60%以上，巷道返修不仅费时费力，增加生产成本，而且也影响了矿井的正常采掘接替。国内此类型的研究成果相对较少，缺乏可供直接借鉴的经验。因此，开展滑动构造影响条件下的采动底板破坏范围研究，揭示“三软”煤层巷道变形破坏规律和机理[2-3]，确定合理的支护方式和支护参数，不仅对告成矿区具有直接的实践价值，对发展复杂构造条件下的三软煤层支护技术也具有重要的理论意义。

1 概况

郑煤集团告成矿采用沿空留巷将21041 工作面下付巷作为21051 工作面上付巷使用，21051 下付巷埋深470 m 左右，为新掘实体煤巷道。煤层厚度2.1～7.9 m，平均4.1 m，平均倾角约11°，结构简单。二1煤层呈粉末状，疏松易碎，平均抗压强度0.9 MPa；煤层顶板极其破碎，平均抗压强度24.62 MPa，平均厚度8.56 m，岩性为泥岩、砂质泥岩和细砂岩，容易泥化；底板多为松软的砂质泥岩，一般厚 5～10 m，平均抗压强度14.47 MPa，属于典型“三软”煤岩结构层。由于滑动构造作用，岩体内节理裂隙极为发育，围岩松散破碎，整体性差，很难形成有效的承载体，导致巷道变形严重，极易产生流变。

2 21051 下付巷变形特征研究

2.1 围岩物理力学性质实验

分别测试21051 下付巷三个位置（二1 煤层、顶板、底板）煤样的力学参数，见表1。鉴于煤岩强度较低，实验仪器选用量程小、精度高的无侧限压力仪。

表1 二1 煤层顶底板岩石物理力学参数

2.2 U 型钢可缩性支架支护巷道变形破坏特征

21051 下付巷断面呈直墙半圆拱型，净断面13.0 m2，宽×高=5350 mm×3550 mm，36U 型钢棚支护，棚距600 mm。

21051 下付巷典型变形特征如图1。巷道U 型钢棚支护发生了严重变形，表现为：1）顶板下沉、底鼓及支架钻底严重，净高3.5 m 的巷道降到2 m以下，局部不足1.5 m，顶底移近量达到1.5～2.0 m。2）支架搭接部位阻力降低，顶梁和柱腿出现＞1 m的相对滑移。3）巷道两侧帮脚有明显内移，巷道下宽由5 m 缩至3.5 m，两帮移近量高达1.5 m。4）大部分棚腿变成内扎角，支架背板大量折断和滑脱，显现出煤体。

图1 21051 下付巷U 型钢棚支护典型变形特征（mm）

2.3 U 型钢棚工字钢梁锚索支护巷道变形特征

21051 下付巷设计工程量1356 m，巷道采用U型钢支护（型号36#、截面积15 m²），棚距0.6 m。为提高锚索支护强度[4]，用7 道工字钢联锁钢棚，如图2。

图2 21051 下付巷U 型钢棚工字钢梁锚索支护（mm）

巷道顶底和两帮移近量变化规律如图3，顶底和两帮移近速度如图4。

图3 20151 下付巷围岩收敛变形规律

图4 20151 下付巷围岩收敛变形速度

通过现场实测得到U 型钢棚工字钢梁锚索支护时巷道变形规律：

1）巷道变形主要发生于距离掘进头80 m范围内，在距离掘进头120 m 之后逐步趋于稳定。观测期间顶底移近量为460 mm，两帮移近量为280 mm。

2）巷道刚掘出10 m 内，顶底板和两帮移近速度分别为22 mm/d 和3.5 mm/d；距离掘进头40 m 时，顶底和两帮移近速度分别下降为10 mm/d 和2 mm/d；当距离掘进头120 m 后，巷道顶底移近速度降低为3～4 mm/d，两帮移近速度降低为1 mm/d。巷道围岩稳定时间较长，达到140 d 以上。

3）巷道围岩处于滑动构造破碎带，属于强流变煤岩体，采用U 型钢支护时围岩变形强烈，顶底移近量达2 m，收缩率达57%，两帮移近量达到1.5 m，收缩率为30%。采用U 型钢可缩性支架+锚网索补强支护后，巷道顶底和两帮收缩率下降为12%和5.6%，说明锚杆和锚索支护效果明显。

2.4 巷道围岩松动圈变化规律

地质雷达测试法是基于介质间的电导率、介电常数等电性差异，以高频电磁波在电性界面的反射来探测地下目标体。地质雷达天线T 由巷道表面向围岩内发射的高频电磁波，若遇到介质电性分界面就会被反射回巷道表面，被另一天线R 接收。根据介质中电磁波传播速度和接收的反射信号双程走时，便可确定围岩深部裂隙区域与较完整岩体分界面的位置和深度。

围岩裂隙面深度可按如下公式计算：

h=vt/2

式中：h为裂隙面深度，m；t为反射波的到达时间，ns；v为电磁波传播速度，m/ns。巷道围岩含水量一般较大，电磁波的平均波速约为0.1 m/ns。

雷达测试围岩松动圈原理：围岩松动圈内岩体为破裂松驰状态，地质雷达围绕巷道断面一周进行扫描时，发出的电磁波在破裂区传播时波形呈杂乱无章状态。当电磁波经过松动圈与非破坏区交界面时，必然发生较强的反射，从而可根据反射波图像特征来确定围岩松动圈破坏范围。

为探明21051 工作面回采巷道围岩松动圈变化规律，选用岩层探测记录仪（YTJ20 型）和地质雷达系统进行测试，共布置三个测点，如图5。按“左帮→拱顶→右帮→底板”顺序进行测试。巷道松动圈发育特征见表2。

图5 测点布置位置图

表2 21051 回采巷道松动圈发育特征

根据测试结果绘制图6 中巷道测点1、2、3 处的围岩松动圈发育形态，得出如下特征和规律：

图6 巷道围岩平衡圈发育范围（m）

1）巷道变形特征表现为显著的流变特性，巷道断面容易发生全断面收缩。

2）经过不同扩修次数的巷道，松动圈发育特征相似，即拱部裂隙发育范围最大，帮部次之，底板最小。

3）拱部围岩和左、右帮的破坏范围都在2.5 m以上，属大松动圈极不稳定围岩。

4）钻孔探测范围内，虽然裂隙具有挤压填充痕迹，但煤体结构完整，可以进行锚杆、锚索等主动支护方式施工。

2.5 矿压观测结论

2.5.1 二1 煤层构造破碎带21051 回采巷变形规律

1）巷道变形主要发生在距离掘进头80 m 范围内，距掘进头120 m 后逐步稳定。

2）U 型钢棚支护条件下，巷道顶底移近量达1500～2000 mm，收缩率达到57%；两帮移近量1500 mm，收缩率达到30%。棚腿内倾，背板折断，煤体挤出。

3）U 型钢可缩性支架+锚网索补强支护条件下，巷道顶底和两帮移近量分别为460 mm 和280 mm，较U 型钢棚支护条件下明显减小，说明锚杆和锚索支护效果明显。

2.5.2 巷道围岩松动圈

1）巷道围岩松动圈顶部最大，为3.5～5.9 m，一般为4.3 m；两帮松动圈次之，为2.5～4.3 m，平均3.0 m；底板松动圈最小，为1～1.5 m，平均1.26 m。

2）随着扩修次数增加，松动圈形态和范围基本保持不变，表现为大松动圈。

3）松动圈探测表明，巷道煤岩体结构完整，可以进行锚杆、锚索施工。

2.5.3 21051 下付巷掘进巷道采用U 型钢+工字钢梁锚索支护的变形规律

1）巷道顶底平均收敛速度0.15 mm/d，两帮收敛速度为0.06 mm/d。

2）巷道两帮移近量平均 628 mm，顶底移近量平均885 mm，巷道变形以顶底收敛变形为主，顶底移近量是两帮移近量的1.27 倍。

3）底鼓量平均540 mm，顶板下沉量345 mm，底鼓量大于顶板下沉量。

2.5.4 巷道破坏机理及支护对策

1）巷道破坏机理[5]。巷道底鼓变形将引起两帮失稳，两帮变形失控，引起顶板动压影响范围和支护失稳。巷道锚索太长，受力过大，不能适应巷道变形，易拉断；锚杆、锚索、U 型棚不能协调支护，导致巷道破坏。

2）支护失效原因。采用U 型钢支架配合锚网支护，缺乏及时支护；底板缺乏控制，加剧两帮破坏；两帮支护强度不足，加剧顶板失稳；破碎易软化围岩没有喷浆封闭。

3）支护对策。优化断面，采用反底拱提高底板稳定性；采用锚网与锚杆联合支护，加强顶板、两帮支护；喷浆防止围岩软化，形成整体联合支护。

2.5.5 三软煤层巷道支护原则

1）总原则：要充分利用平衡圈内围岩的自承载能力，支护体与围岩共同承载。

2）治顶先治帮：加强两帮支护，控制巷道等效宽度，降低顶板支护难度。

3）治帮先治底：加强底板控制，防止两帮破坏区和顶板极限平衡拱的扩大。

4）肩脚是关键：两肩支护对顶板和两帮稳定性具有重要作用，两帮脚支护对控制底鼓和防止两帮破坏具有重要作用，是形成整环支护的关键。

5）整环控制：“底板-两帮-顶板”作为一个整体系统，按照巷道围岩平衡圈的大小，进行整环支护设计。

2.5.6 二1 煤层底板三带[6]范围

1）破裂带。该带围岩裂隙发育，围岩存在透水性，呈“鱼背”型分布，最大深度 13 m。该带受采动集中应力影响，巷道维护困难，是巷道布置必须避开的区域。

2）断裂带。在此区域内围岩剪切和张拉裂隙发育，呈“马鞍形”分布。该带在工作面倾向的下侧深度达到25.3 m，工作面中部深度15.6 m，工作面上侧深度21.1 m。该带围岩裂隙发育，受到支承压力的一定影响，也不利于布置巷道。

3）原岩带。处于断裂带以外的区域，基本处于原岩应力，岩层处于原岩状态，该区域称为原岩带。在采空区下部，该区域基本处于底板深度21 m外，适于布置底板巷道。

3 结论

针对郑州煤电告成煤矿二1 煤21051 下付巷典型的“三软”煤层巷道围岩松散破碎[7]特征，研究了其变形和围岩松动圈变化规律。得出，巷道围岩两帮及顶底移近量平均达到600～950 mm，顶底最大，两帮次之，表现为四周变形，属于大变形软岩巷道。巷道围岩松动圈范围一般为顶板4.3 m，两帮3.0 m，底板1.26 m，属于大松动圈。通过合理设计锚杆锚索支护参数进行巷道支护，能够有效降低巷道顶底板移近量，取得明显效果。