復雜條件下薄煤層開采巷道圍巖控制問題及對策

陳旭明

摘 要：針對南方復雜地質條件薄煤層開采巷道難控制的問題，文章以含春煤礦薄煤層開采為例，分析了薄煤層開采巷道圍巖控制中存在的問題及巷道變形破壞特征，并針對性地提出復雜條件下薄煤層開采巷道的控制對策及支護技術。工程實踐表明，應用新支護技術后巷道圍巖變形得到有效控制，支護體受力情況良好，能夠保證圍巖結構的長時間穩定性。

關鍵詞：復雜地質條件；薄煤層；軟弱圍巖；巷道支護

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）17-0171-02

相較于北方大型煤炭生產基地，南方煤炭資源十分有限，而考慮地區民用需求則必須保證一定數量的煤礦開采。就南方煤炭資源分布情況而言，煤層厚度在2 m以下薄煤層占有相當大的比例，且多處煤層賦存條件較為復雜。

復雜條件薄煤層開采面臨的主要問題包括瓦斯和軟巖，由于近年來對瓦斯問題的高度重度，瓦斯事故已而到有效控制；而南方軟巖巷道圍巖穩定性控制一直得不到保障，甚至在很大程度上成為限制煤礦生產效率、生產成本的關鍵因素。

研究復雜條件下軟巖巷道新的支護方法，對南方薄煤層資源開發具有重要理論意義和應用價值。

1 復雜條件薄煤層開采巷道支護問題變形特征

1.1 巷道支護問題

相較于北方大型煤礦，南方煤礦由于地質條件復雜、井型小、煤質差以及其他人為因素，使得巷道支護存在很大問題。首先，巷道支護方案與參數存在盲目性，礦井巷道支護憑經驗進行設計，使得巷道支護剛度不夠，支護結構不合理。

其次，支護時機選擇不合理，尤其對于巷道掘進后的一次與二次支護，不能確定有效的支護時機。同時，人為因素造成的巷道施工質量的不合格，亦是造成薄煤層開采巷道圍巖難控制的重要因素。

1.2 巷道變形破壞特征

對礦井巷道地質情況進行分析發現，巷道變形破壞特征主要為以下幾個方面：

①巷道的破壞主要集中在幫角與底角位置，此方向為應力集中最大區域；巷道破壞形式以剪切破壞為主，在巷道圍巖淺層表面會出現小范圍的剪切破壞帶，但隨著應力加載時間的延長，剪切破壞帶規模會逐漸擴大并相互貫通，形成大范圍塑形破壞。

②兩道兩幫移近量大，且兩幫中下部鼓出嚴重。幫部圍巖在變形過程中，支護體會隨著圍巖發生整體外移現象。巷道兩幫變形不協調，中下部變形嚴重，上部變形程度則相對較弱。兩幫在高側壓力作用下發生嚴重變形，中下部鼓起、垮落，巷道斷面被擠成尖桃形，如圖1所示。

復合頂板下沉嚴重。頂板中央下沉位移量較大，造成棚式支護變形扭曲，錨網支護體下沉變形，如圖2所示。

2 復雜條件下薄煤層開采巷道圍巖控制

①調動深部圍巖承載能力。對巷道斷面關鍵部位進行補強支護，在兩肩與兩窩位置施以錨索加強支護，改善集中壓縮區圍巖受力情況，并調動深部巖體的承載能力。

②強化兩幫護表作用。巷道兩幫以破碎煤體為主，并交替有煤巖體，結構整體性較差。通過在巷道表面采取措施，增加巷道兩幫護表作用力，增加支護受力面積，并降低幫部應力集中程度，達到提高兩幫承載能力的目的。

③讓抗結合，協調支護結構與圍巖變形。半煤巖巷變形具有不均勻性，支護初期做到適當讓壓，并及時實施高阻抗壓，避免圍巖過度變形。

④提升圍巖結構整體穩定性。對巷道圍巖不同部位采取不同支護策略，兩幫應提高支護阻力，限制幫部的大變形；頂板控制中應注意支護結構的初始阻力；底板應參考“0”位移點，避免幫腳出現圍巖的擠壓變形。

⑤分層次、有控支護。巷道支護的兩個重要原則是充分發揮圍巖的自承能力和有效釋放膨脹變形能，二者在實施過程中存在矛盾性，如何將二者有效結合將是巷道支護的關鍵，而在支護中表現為確定合理的分層支護形式與時間。

⑥注漿加固破碎區。注漿對于復雜條件下半煤巖巷破碎圍巖的加固具有重要作用，能夠維護圍巖整體穩定，將圍巖松動圈轉變為承載圈。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

含春煤礦位于福建省永春縣，礦井設計生產能力為24萬t/a。礦井可采煤層較多，且煤層厚度均不超過2 m。礦井劃分三個采區對煤層資源進行回收，含一采區與含二采區開采已經接近尾聲；現階段進行含三采區+540 m、+510 m兩個生產區段，+485 m和+460 m區段處于開拓階段。含三采區所在層位主要為粉砂巖，受斷裂褶皺地質構造影響，節理裂隙發育程度較高。煤層頂底板巖石屬軟硬相間的工程地質巖組，穩固性中等。集中運輸大巷斷面形狀為半圓拱，凈斷面尺寸為2.3 m×2.33 m（寬×高）。主要沿煤巷道支護采用普通錨桿、棚式支護，支護初期兩幫就鼓起與冒落，在高應力與采動影響雙重作用下巷道變形嚴重，已影響到正常生產工作的接替。

3.2 疊加拱“長、短”密集錨索支護

結合圍巖破壞情況與巷道控制策略，設計對巷道圍巖實施疊加拱“長、短”密集錨索支護，支護方案，如圖3所示。巷道圍巖較為破碎，巷道掘進后對其進行密集型錨索支護，形成承載結構的內部壓縮拱；在此基礎上，對巷道關鍵部位施以長錨索加強支護，強化原有壓縮拱承載能力，并且新密集型長錨索又能形成較大范圍的壓縮拱，協調深部圍巖保證淺部壓縮拱的支護有效性。

3.3 支護參數

全斷面短錨索打設數量為根，規格為17.8 mm×4 000 mm，間排距為800 mm×1 600 mm，上下幫角位置錨索各偏移30

～50 °。金屬網需具備一定的柔性，型號選用，網格為；鋼帶選用12～2 000 mm×1 000 mm，厚度為6 mm，排距控制在1 500 mm；梯子梁采用螺紋鋼，直徑可選用14 mm或16 mm，排距控制在1 500 mm，須保證梯子梁的搭接長度超過100 mm。長錨索數量為5根，型號為17.8 mm×7 000 mm。

3.4 工程支護效果

對支護方案實施后圍巖表面收斂位移進行觀測，為期90天，結果如圖4所示。

分析上圖可知，巷道頂底板與兩幫變形均較小，兩幫變形量110～125 mm，頂底板移近量40～50 mm，巷道圍巖變形均在安全允許范圍內。而由圍巖變形曲線波動情況得到，圍巖變形經歷了三個階段，即急速增長、緩慢增長和趨于穩定。急速增長階段（2 ～20 d），此階段的圍巖變形量占到了整個圍巖變形量的多大部分，約為%。緩慢增長階段（20 ～60 d），這一階段的兩幫和頂底板變形量為20 mm和13 mm，表明：隨著圍巖變形，錨索支護阻力逐漸增加，提高了支護體的承載能力；變形穩定階段的圍巖變形速率及變形量均非常小，逐步達到穩定狀態。

4 結 語

巷道的破壞主要集中在幫角與底角位置，破壞形式以剪切破壞為主。圍巖淺層首先出現小范圍的剪切破壞帶，并隨著時間的增加，剪切破壞帶規模會逐漸擴大并相互貫通，形成大范圍塑形破壞。同時，巷道兩幫變形不協調，頂板后期亦會出現明顯下沉變形。

疊加拱“長、短”密集錨桿支護能夠形成一個連續的承載結構，短密錨桿支護形成內承載結構；外部密集型錨索形成外承載結構，調動深部圍巖承載能力，共同確保內承載結構的支護穩定性。

含春煤礦主要集運巷、沿煤巷支護實踐表明，新支護方案實施后，巷道圍巖變形得到有效控制（兩幫收斂110～125 mm，頂底移近量40～50 mm），支護體受力情況良好，巷道未出現明顯圍巖變形及底鼓現象。疊加拱“長、短”密集錨索支護在復雜條件薄煤層開采巷道支護中的應用具有推廣價值，能夠控制半煤巖巷道變形與穩定。

參考文獻：

[1] 余偉健，馮濤，王衛軍，等.南方復雜條件下的薄煤層開采巷道圍巖支護 問題及對策[J].煤炭學報，2015，（10）.

[2] 張農，袁亮.離層破碎型煤巷頂板的控制原理[J].采礦與安全工程學報， 2006，（1）.

[3] 張合超，吳浩源.回采巷道預應力錨桿支護參數模擬優化研究[J].煤炭 與化工，2015，（7）.

[4] 康紅普，王金華，林健.煤礦巷道支護技術的研究與應用[J].煤炭學報， 2010，（11）.

[5] 余偉健，袁越，王衛軍.困難條件下大變形巷道圍巖變形機理與控制技 術[J].煤炭科學技術，2015，（1）.