三軟煤層巷道工字鋼棚聯合支護技術探討

陶 偉

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司，山西 介休 032000）

三軟煤層巷道支護一直是困擾煤礦安全生產的難題。軟巖是非均質、非連續巖體，具有強度低、破裂不完整和易變形失穩的特性，造成巷道圍巖變形大、支護損壞嚴重，致使工程成本高、工程進展緩慢[1-2]。以山西高陽煤礦3 號煤層運輸大巷為工程背景，對三軟煤層巷道支護技術進行研究。

1 工程地質條件

高陽煤礦3 號煤層結構簡單，平均厚度6.5 m，平均傾角4°，抗壓強度最大為21.2 MPa，最小為3.0 MPa，均值9.3 MPa。煤層頂底板為泥巖、砂質泥巖、砂巖，抗壓強度均小于15 MPa，屬極軟巖。煤層頂底板巖性見表1。

表1 3 號煤層煤頂底板巖性表

2 三軟巷道圍巖變形破壞特征

（1）成巷初期來壓快、變形量大，成巷后期巷道變形具有明顯的蠕變特征[3-6]，巷道自穩能力差，采用單一的支護方式很難控制圍巖的變形。

（2）巷道多承受非對稱性環向壓力，使得巷道頂板易冒落、底板易鼓起，尤其是巷道底鼓難以控制，進而造成巷道的兩幫內擠、頂板冒落，最終使得巷道整體失穩。

（3）隨著采深的增大，巷道圍巖壓力增大，巷道支護難度也隨之增大，且巷道的變形具有明顯的方向性。

（4）底板裂隙水會造成巷道底板泥巖遇水泥化、膨脹、強度降低，造成巷道底鼓[7-8]。

3 工字鋼棚式支護設計

3.1 三軟煤層巷道支護設計原則

（1）聯合支護。針對成巷初期圍巖來壓快、形變量大，后期蠕變形變的特點，必須采用聯合支護，才能有效控制巷道變形。

（2）二次支護。成巷初期首次支護關鍵是柔性讓壓，巷道一次支護采用“工字鋼棚+掛網+一次噴漿”，可適應成巷初期巷道來壓快、形變速度大的特點，尚未澆筑的巷道底板也可釋放一定的變形能量。待巷道圍巖壓力充分釋放、巷道圍巖變形趨緩后，采用二次支護的方式，即巷道頂、幫采用“二次掛網+二次噴漿”、底板采用“工字鋼底梁+鋼筋+澆筑混凝土”的支護，對巷道全斷面加強支護，形成高強度閉合支護結構體，進而控制巷道的蠕變變形。

（3）控制底鼓是重點。鑒于3 號煤層厚6.5 m，將巷道布置于相對較為堅硬的3 號煤層中，且巷道底板留一部分底煤，可規避底板泥巖遇水泥化的問題。同時，底板采用“工字鋼底梁+鋼筋網”強化支護，待底板澆筑混凝土后，巷道將形成整體封閉的高強度承載支護體。

3.2 三軟煤層巷道圍巖塑性圈

彈塑性理論認為，當巷道開挖引起的圍巖應力重新分布超過了圍巖的彈性極限強度，但未超過其極限強度時，圍巖將發生塑性變形，進而在巷道周圍形成塑性圈[9]。

已知3 號煤層主運大巷直墻半圓拱巷道外接圓半徑R0=2.82 m，當量半徑為：

式中：a為巷道理論半徑，理論半徑為2.72 m；K1為采動影響系數，取1.0；γ為上覆巖層體積力，取0.02 MN/m3；H為巷道埋深，取350 m；K2為煤巖體力學參數修正系數，取1/4.5；C為黏結力，根據巖石力學實驗得出，取2.5 MPa；φ為內摩擦角，根據巖石力學實驗，取為30°；Pi為支護阻力，取0.15 MPa；λ=（1-sinφ）/（2sinφ）。

由式（2）計算可知，3 號煤層主運大巷圍巖塑性區半徑R=5.14 m，則塑性區深入圍巖深度△=Ra=2.42 m。

3.3 工字鋼棚承載力檢驗

采用有限元分析軟件ANSYS 模擬巷道等效節點載荷，假設巷道不產生縱向位移，且圍巖載荷在巷道軸向方向對稱分布，則該巷道軸力、彎矩模擬結果如下：

圖1 巷道彎矩圖和軸力圖

由ANSYS 軟件模擬可知，該支護結構最易破壞點為巷道幫部中央，該處彎矩最大，Mmax為5.8 kN·m，軸力Nmax為280.3 kN。

已知16#工字鋼支架截面面積S為26.1 cm2，截面模量Wx為141 cm3，慣性矩Ix為1127.0 cm4，最大抗拉抗壓應力為215 MPa，棚間距為0.7 m，當全部荷載作用在工字鋼支架上時，支架截面上最大拉應力、壓應力計算如下：

16#工字鋼支架截面上最大拉應力為：

16#工字鋼截面上最大壓應力為：

從計算可知：若無沖擊地壓或遇地質構造帶，選用棚排距為0.7 m 的16#工字鋼棚柱腿、拱梁最大應力均小于工字鋼棚的屈服強度，符合支護強度要求。

3.4 工字鋼棚支護方案

3 號煤層運輸大巷斷面選用承載能力強的直墻半圓拱形，巷道凈寬4.5 m，巷道凈高3.45 m，凈斷面積13.35 m2，支護選用“工字鋼棚+兩次噴漿+底梁澆筑”聯合支護方案。巷道的支護方式如圖2，支護參數見表2。

圖2 巷道支護斷面圖

表2 巷道支護參數表

4 礦壓觀測

采用“十字絲”法監測巷道表面位移變化情況，經連續觀測30 d，巷道表面位移監測變形曲線如圖3。

圖3 巷道變形與時間關系圖

巷道表面位移變形監測結果表明：成巷5 d 內巷道礦壓顯現明顯，巷道頂板下沉、兩幫內斂速度較快，頂板下沉量52 mm，兩幫內斂合計50 mm；6～20 d 巷道圍巖趨于穩定，表現為蠕變變形，巷道頂板下沉、兩幫內斂平均速度小于0.5 mm/d；21 d后巷道幾無變形。工程實踐表明，“工字鋼棚+噴漿+底梁澆筑”聯合支護可有效控制三軟煤層巷道圍巖變形。

5 結語

3 號煤層運輸大巷采用“工字鋼棚+兩次噴漿+底梁澆筑”聯合支護方案，可有效控制軟巖巷道圍巖變形。但該支護方式因施工工序復雜、進尺較慢、造價較高，僅適用于主要巷道。