“兩軟一硬”煤層巷道支護技術應用研究

許進軍

(太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原030000)

煤炭在我國一次能源結構中占70%左右，2012年我國煤炭產量達到35多億t，其中大部分為井工開采。井工開采需要再地下開挖大量的巷道，“兩軟一硬”煤層是指煤層比較堅硬，但是頂板和底板比較軟，是一種特殊的地質現象。某礦7#煤層開采過程中，周期來壓步距為12m，其工作面老頂屬于堅硬頂板，底板屬于松軟巖層，屬于典型的“兩軟一硬”煤層。現場支護密度很高的情況下，開采工程中仍然出現采面整體支護強度偏低的情況，給煤礦巷道掘進安全生產帶來了很大的隱患，影響了采面的正常接替，是該礦當前亟需解決的問題。

1 工程概況

某煤礦7#煤層位于-420m水平，煤層直接頂板多為厚而堅硬的灰白色中粒巖屑石英砂巖(K1大占砂巖)，東北端及中部零星部位直接頂板為深灰色粉砂巖和砂質泥巖；底板為深灰色砂質泥巖，偽底為炭質泥巖和灰色根土泥巖。煤厚0～11.57m，平均3.73m。煤層結構簡單，屬較穩定偏不穩定型厚煤層。煤層賦存標高+250m～-430m，埋深90～755m。原采用Φ22mm×1800mm的錨桿全長水泥藥卷錨固，間距0.4m，排距0.8m，特種加固措施為在頂部布置3根Φ14mm×6m的鋼絞線錨索，排距2.5m。該支護方式在巷道開掘后60d就出現較大變形，難以維護。

表1 “兩軟一硬”煤層頂底板巖層性質

2 錨桿聯合支護機理

錨桿支護的形式主要有錨網、錨梁、錨鋼帶和錨網梁等等，是一種主動支護方式。錨網支護系統涉及到支護設計、掘進施工、支護材料等多個方面，是一個系統工程。巷道錨桿支護設計的基礎是對錨桿支護機理有一個正確的認識。井下的開挖工程，破壞了巖體的原始應力狀態，由靜水圍壓狀態變為臨空自由面的法向受力，引起了巷道周邊的巖體產生法向位移，于是巷道進入被持續破壞的過程，破壞首先是從巷道臨空自由面開始向巷道內層層剝落。巷道位移產生后，破碎巖體又產生反向彈性應力，然后再次形成應力平衡。要形成這種應力平衡，就必須保證煤巖體的完整性。錨桿主動支護效果恰恰是體現在錨桿的預應力，當錨桿置入圍巖體內時，預應力能夠使破碎巖體承受一定的彈性變形，形成具有支護作用的應力拱。前人研究的組合梁理論、松動圈理論、錨桿桁架理論的核心思想都是在失去穩定的圍巖上，通過錨桿等施加一個約束力，結合錨梁網等整體提高破碎圍巖的抗剪切、抗壓強度。錨桿對圍巖體的約束作用主要體現在一下方面：①錨桿對圍巖體施加的預應力，提高了圍巖的完整性，增加了圍巖的抗變形能力；②錨桿錨固于巖體深部，錨桿具有一定拉力，可以懸吊不穩定巖層；③錨桿阻止了巖層間的相對滑動，增加了破碎巖體之間摩擦力，形成組合梁。

3 “兩軟一硬”工作面順槽巷道支護設計

3.1 工作面順槽支護方案及參數設計

機巷頂錨桿設計參數：錨桿選擇：頂板錨桿桿材選用螺紋鋼等強預拉力錨桿，加M型鋼帶、金屬菱形網聯合支護，錨桿規格為：M24-Φ22×2400mm。考慮巷道寬度、圍巖巖性等，設計取錨桿間排距為900×800mm。錨桿預緊力不小于60kN，錨固力不低于120kN。

煤巷幫錨桿設計參數：巷道兩幫采用螺紋鋼等強預拉力錨桿、金屬菱形網，錨桿規格：上幫 M24-Φ22×2400mm，下幫 M22-Φ20×1800mm，σb＝420MPa。 幫錨桿間排距為 900mm×800mm，加 π2 型鋼帶和金屬托盤，每根錨桿采用兩節Z2550型中速樹脂藥卷加長錨固，錨桿預緊力不小于30kN。錨固力不低于40kN。

錨索設計參數：錨索的長度取為6.5m，錨索間距為2.2米，距巷道中心線1.1m各安設一根錨索，錨索排距與錨桿排距相同為800mm，見圖1。

圖1 巷道支護設計

3.2 回采期間的巷道支護效果

0114工作面機巷在回采期間的總體變形量較小，根據巷道內觀測點的觀測，一般兩幫變形在300mm左右，底臌量一般在400mm左右。巷道各段變形量不一，根據巷道內設的變形觀測點的觀測，巷道U型棚支護段兩幫變形一般在1000mm，底臌量在600mm左右，頂板下沉量在300mm左右；巷道錨網支護段兩幫變形量在900mm左右，底臌量在600mm左右，頂板下沉量在200mm左右。礦壓觀測表明，采用錨網索支護有效的維護了巷道的穩定，“兩軟一硬”煤層工作面順槽適于采用錨網索這一主動支護方式。

4 結束語

目前我國礦區的錨桿使用量達占到了巷道支護的90%以上。錨桿支護是我國煤礦支護方式中使用最為廣泛的支護方式，錨桿支護技術能夠顯著提高破碎圍巖的支護效果，同時能夠減輕工人的支護工作量，是一種高效、經濟、安全的支護技術。現場實測的數據表明：錨網帶索聯合支護從技術和效益兩方面都明顯優于單一支護，能夠滿足“兩軟一硬”煤層支護要求，控制了高地應力復合頂板突出煤層巷道的強烈變形，提高了巷道圍巖的穩定性，抑制了冒頂和片幫等情況的發生，保證了巷道安全性。

［1］馬念杰，賈明魁，趙慶彪，劉少偉.煤巷錨桿支護新技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2006.

［2］康紅普.煤巷錨桿支護理論與成套技術[M].北京：煤炭工業出版社，2009.