川南煤业泸州古叙煤电有限公司石屏一矿 四川泸州 646000
摘要：随着矿井开采规模的加强，巷道围岩越来越多地呈现出软岩特性，针对软岩巷道的支护与维护问题更为突出。由于软岩概念、软岩工程设计理论多元化，研究手段较简单，设计施工理论陈旧等一系列问题对软岩工程产生很大影响，因此软岩巷道支护技术仍是目前亟待解决的一个关键问题。近年来，随着煤巷锚杆支护技术日趋成熟，锚杆支护得到普遍推广应用，但是还不能很好解决大跨度、大断面、三软煤巷等困难巷道支护加固问题。本文运用理论分析和现场应用相结合的手段，对三软煤巷锚固支护技术进行了系统地研究。对软岩的概念、分类、三软煤巷失稳、变形的力学机制作了较为全面的分析和总结。对目前传统的锚固支护理论、锚固支护设计方法进行总结评论，提出了适合三软煤巷的支护理论及设计理念，并对锚固联合支护作用机理进行分析。并以石屏一矿C13煤层巷道掘进支护为依托，进行了三软煤巷锚固支护试验研究。根据理论计算和数值模拟的结果初步确定了支护方式及支护参数；通过现场应用，并对支护效果进行同步多项监测，利用数据处理软件分析了监测数据，对支护效果进行评价，反馈信息优化设计，实现了初步设计与工程监测相结合的动态设计。最后，对试验巷道支护效果进行理论分析，提出了适合三软煤层巷道支护的一系列结论和建议。
关键词: “三软”煤层； 数值模拟； 动态设计； 联合支护
一、概况
川南煤业泸州古叙煤电有限公司石屏一矿是古叙矿区规模化开发的首对大型矿井，可采储量6859万吨，设计生产能力120万吨/年，服务年限为44年，可采煤层有C13、C14、C15、C19上、C19、C23 、C24、C25煤层，其中C19 、C25煤层全区可采，其余煤层大部或局部可采。目前石屏一矿正在建设过程中，任务繁重，时间紧迫，根据现场实际所揭露C13煤层属于顶软、煤软、底软的“三软”煤层， 造成巷道掘进和支护十分困难（C13层煤直接顶为砂质泥岩，易冒落，老顶为细砂岩，老底为粉砂岩、细砂岩，岩石较破碎，遇水变软或易膨胀）。作为石屏一矿最先开采的C13煤层即21301首采工作面，曾多次发生巷道冒顶片帮，变形破坏明显，虽然多次改变支护方式，但仍未完全解决巷道变形及破坏现状，掘进速度十分缓慢。为此，针对二采区21301首采工作面回采巷道支护方案进行研究探讨。
二、原有支护存在的问题
通过支护方式分析，原支护方式造成巷道变形的主要问题有以下几个方面：①架料质量差，支架间距大、支架东倒西歪且有迈步现象；②支架与支架间的撑木数量较少，金属拉杆强度不够，未起到有效拉力的作用；③巷道顶、帮被接不实，充填不饱满，为起到一个整体拱形结构；④支架脚窝深度不够，当支架受矿压影响时易变形；⑤支架本身加工质量差，拱与腿子衔接效果差，不能有效起到受力作用；⑥巷道支护完后未及时进行喷砼封；⑦锚杆间排距过大，锚杆角度、深度不够；⑧网片与网片之间搭接效果差，并未紧贴岩面；⑨锚网支护未做到一次成巷，且两帮底部缺少量的锚网，未及时形成一个均匀拱的形式；⑩原水泥药卷的锚固强度不够，主要表现在锚杆与水泥药卷搅拌不均匀，造成巷道失效锚杆较多。
三、“三软”煤层巷道支护技术研究及处理方案
1、巷道施工
（1）巷道掘进要减少扰动，断面形成光滑平整
对于锚网支护的基本要求是光面爆破或综掘，主要是要减少对围岩的扰动，保障断面成形规则，表明相对平整光滑；对于松软易碎的围岩，要用小炮开槽，人工修边，减少对围岩的扰动，并且要及时支护。巷道掘进工作应当按照此要求改进。
（2）要及时支护，施加合理的预紧力，实现及时主动支护
对松软易冒围岩，必须及时给与围岩主动的挤紧力，防止围岩的进一步松动，形成挤紧的围岩组合拱。因此，施工中要求及时支护，并且只有及时施加合理的预紧力才能实现及时主动支护。这是锚杆施工质量的关键。
（3）对松碎的区域，要先支后开帮
对非常松碎的地段，需要先贴帮打锚杆支护，然后再开帮。在开帮时要采取小进尺施工，必要时要打超前锚杆进行预加固。
（4）加强对施工质量的监控
锚网支护具有隐蔽性，加强施工质量监控是巷道支护成功的关键。支护质量按照“早、强、密、贴”原则进行监控：①断面成形是否规整；②锚杆预紧力是否达到，是否实现了及时支护；③锚杆拖板，钢带，金属网是否与围岩密贴；④锚杆的角度和间排距是否符合要求。
2、锚网支护优化设计与参数确定
（1）锚杆支护优化设计原则
合理优化断面
巷道支护设计首先应选择合理的巷道断面形式，提高巷道自身稳定性，减轻支护压力，对于断面较大的巷道，围岩破碎，不宜留平顶，应当考虑比较稳定的拱形断面；对于断面较小的巷道，可以采用平顶进行试验。如果不利，仍然改回拱顶断面。
②施工方式
对于破碎围岩，施工方法最主要是减少扰动，及时支护封闭。锚网支护对巷道断面成形的基本要求是表面平整光滑。为此，掘进过程中应尽量采用光面爆破或人工风镐修边，保障减少对围岩的扰动，形成规则的断面，快速有效的进行及时支护。
③采用合理的支护设计理论
巷道围岩松软破碎，属于大松动圈围岩，采用悬吊理论和组合梁理论都不符合实际情况。应当选用组合拱理论进行设计，使破碎围岩在锚网作用下形成稳定的挤压组合拱，增强抗围岩的运动。
④治顶先治帮，加强两帮支护，重视“两肩”和“帮脚”
两帮和帮脚的支护不容忽视，应当加强。原设计对“两肩”和“帮脚”支护不足，是导致巷道两帮变形的主要原因。
⑤“支”和“护”并举
软岩巷道支护，必须按照“支得住，护得严”的原则进行设计和施工。一般设计往往重视“支”而忽视“护”。对于破碎围岩，加强“护”就尤其重要。否则，将由于“护”的不足而导致“支”的实效。
“支”：针对破碎围岩，必须及时支护，主动施加预紧力，保障合理的锚杆间排距，并在施工过程中严格控制间排距，不宜过大，确保“支得住”的原则；“护”：钢带和金属网必须采用，并且注意金属网的网眼尺寸，及时能够喷浆封闭。
⑥预留变形量
对松软围岩巷道，考虑到受采动支撑压力，应当合理预留变形量，形成让压支护系统，有利于提高支护系统的稳定性和减少支护费用；对于大变形巷道，应当建立二次支护的思想。即，在初次支护让压后，再形成二次支护，控制围岩的变形与破坏。
（2）优化断面
由于煤层顶板破碎，大断面巷道难于保留完整的斜顶，如果保留，斜顶的部分处于松动冒落区，顶部锚杆的支护效果将大大降低，甚至失效，为此，将顶板作为稳定性较好的拱形，如果两帮支护有效，破碎圈可进一步减小，巷道断面高度增加，两帮与顶板整体性增强，提高了巷道抗变形能力，即便巷道有些变形，也比较易满足使用的需要，为此，在设计巷道断面时应优先考虑直墙拱形，并要考虑200mm变形量。然而，对于巷道较小的断面，可以将原断面修正为不破顶板的三角拱断面，同样可以达到提高巷道稳定性的效果，如果还是不能满足受力的需要，则在改为直墙拱形断面。
（3）锚网支护参数的选择
①锚杆长度和间距
根据巷道断面尺寸、考虑巷道围岩松软、加上设计锚杆支护形成的组合拱厚度、以及巷道围岩松碎和变形量的实际情况，可推算出锚杆长度：L=b+a+c;
式中：L—锚杆长度；a—锚杆间排距；
b—组合拱的厚度；c—锚杆外露长度。
锚杆锚固力和锚杆杆体直径
根据工程类比经验设计锚固力0.06MN（8t），螺纹钢抗拉强度取380Mpa，可以计算出锚杆直径：Φ=K√4Q/(π×δs)=0.018m
式中：Φ—锚杆直径； Q—锚杆锚固力；
δs—A3钢抗拉强度； K—考虑富余系数1.3。
根据以上可求得锚杆直径为Φ18mm，考虑一定的安全系数，确定锚杆直径Φ20mm，锚孔直径为28mm。
③锚杆锚固剂参数
对于大变形巷道，为了保障支护的可靠性，设计采用树脂锚固剂。
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a.煤体中锚孔的锚固力
Fc100=0.1×π×dh×tc=0.1π×28×1.6=14.1KN
式中：Fc100—煤体中每100mm孔长的锚固力，KN；
dh—锚杆孔直径，mm；
tc—煤体的抗剪强度，MPa.
b.树脂锚固剂的锚固力
Fs100=0.1π×dh×tc=0.1π×28×7=61.5KN
c.锚杆锚固长度
统一按煤体考虑锚固参数，可以满足煤、岩层支护安全要求，则锚固长度：L=1.3×Q×100/ Fc100=1.3×60×100/14.1=553mm
因此，采用1支K2335，1支Z2350树脂锚固剂完全可以满足要求。
④钢带（或钢筋托梁）
为了加强两帮煤体和顶部破碎岩体的维护，必须在每环锚杆支护中加W型钢带，两帮基本护到底板，增加锚杆支护系统对破碎围岩“护”的刚性，控制锚杆间的围岩移动和变形，增强锚杆系统的稳定性和完整性；在条件不具备的情况下也可采用钢筋托梁替代。
⑤金属网
对于破碎围岩，必须利用金属网使围岩保持原位，防止脱落。否则，破碎围岩脱落后将导致锚杆形成的挤压承载圈变薄，甚至导致锚杆失效。
⑥托板
锚杆支护主要依靠锚头得锚固力和托板的反力共同作用，才能保持设计锚固力。因此，正确选择使用托板和正确选用锚头的锚固剂具有同等重要的意义。并且，还要考虑到围岩变形量的特点，选择加载效果好的蝶形刚托板，在围岩松碎的煤帮还应增加垫木托板，增大对围岩的“护”的能力。
⑦喷浆封闭围岩
由于煤岩遇到空气后，容易失水而产生离层和膨胀，必须对围岩进行及时的喷浆封闭，才能保持长期的稳定性。当巷道变形开裂或喷体脱落时，还需及时补喷浆封闭。
3. 巷道锚网梁索支护方案
（1）锚杆
材质：螺纹钢 规格：Φ20×2200mm；
锚固形式：端头锚固，长度600mm；
每眼孔1节K2350和Z2350树脂锚固剂；
钢托板：100×100×8mm,中孔Φ22mm；
木托板：50×200×400mm,中孔Φ22mm；
（2）锚杆间排距
根据围岩条件和支护系统设计，确定锚杆间排距为700mm，围岩破碎段，锚杆排距可缩小为600mm。
（3）锚杆预紧力
锚杆预紧力是实现主动支护的关键，预紧力必须在20kN以上围岩才能够被挤紧。因此，设计锚杆预紧力：Q=25KN（2.5t）
施加预紧力用力矩扳手进行，需要施加的力矩：T=0.2Qd N*m
式中：T—拧紧力矩，N*m
Q—预紧力，N
d—螺纹公称直径，mm。
（4）金属网、钢筋托梁和托板
金属网：采用12#铁丝编制，网孔50×50mm或6mm圆钢制作，网孔50×50mm。
钢带：宽120mm，厚度2-3mm（或筋托梁：Φ12钢筋，横筋间距600mm），沿巷道断面整环布置。
（5）锚网支护布置
锚杆按照“垂直岩面原则，放射状原则，均匀原则”进行布设，有利于提高锚杆加固效果，形成稳定围岩加固圈。
（6）锚索布置
锚索采用Φ15.24钢绞线，长度5000mm，间距2100mm，端锚1支K2350,一直Z2380树脂药卷，当围岩稳定时可不打锚索。
（7）施工工艺要点
巷道掘进过程中，必须减少对围岩的扰动，尽量采取光面爆破或人工刷帮成形，锚网支护要严格按照“早”，“强”，“密”，“贴”原则，支护顺序要按先顶后帮，整环支护，环环掘进，支护工作务必做到及时施加足够的预紧力，实现主动支护。
4 .矿压观测与锚杆支护监测
（1）矿压观测系统是针对工作面支护质量的变形情况进行掌控，对工作面的支护参数采取分段式的观测和矿压数据收集。根据观测的数据，方便管理并有针对性的对当前工作面支护存在的问题提出整改建议和说明，保证掘进工作面的支护质量。
（2）由于锚杆支护的隐蔽性，必须对巷道进行日常监测，保障锚杆支护质量。
①巷道表面收敛量观测
a.巷道表面位移量是判断巷道稳定性的主要参数和依据，必须进行不间断的观测，首测站在支护完成后即可及时支护，以后每隔50m设置一个测站，共布置3个测站；
b.主要是观测巷道两帮和顶底移近量；
c.观测数据的整理办法：实测值为左M、右N、两帮L，顶底L，实测结果可按表统计整理，根据实测M、N、L，按照下列公式可以求出巷道围岩的水平和垂直分量：
左帮水平分量：x=1×(L2+ M2－N2);
右帮水平分量：y=L－X;
顶板到中线垂直分量：h=√(M2－x2)
锚杆预紧力和工作阻力观测
锚杆的正常作用力主要是在预紧力的基础上，围岩变形而引起的，施工中应该测试锚杆支护工作阻力（托板反力），可以采用锚杆测力计进行观测，根据统计的实测数据再进一步研究分析。
5.锚网梁索联合支护的效益分析
（1）该支护方案提高了巷道支护的可靠性，有利于矿井的安全生产。
通过以下几个方面的研究，显著提高了锚索—锚网梁支护的可靠性，从而大大降低了巷道掘进和支护中发生冒顶的可能性：①采用先进仪器，为锚固支护设计提供了比较准确的基础数据；②采用先进的动态信息设计法，使锚固设计更加合理；③采用顶板离层指示仪和先进的声波多点位移计等，对巷道围岩变形和锚杆（索）受力情况进行了详细观测，取得了大量的矿压观测资料，为锚杆（索）支护设计的修正和施工质量管理提供了科学依据；④通过施工工艺的改进、新型锚杆机具的应用，使锚杆（索）真正实现了及时主动支护，减小和消除了顶板早期离层，避免了冒顶隐患；⑤锚索—锚网梁联合支护的应用对极不稳定“三软”煤层巷道支护起到了至关重要的作用。
（2）减轻了工人的劳动强度。采用该支护方法，支护材料运输量仅为型钢的1 / 8 左右，且单件重量轻，大大降低了工人劳动强度。
（3）简化了工作面回采时的出口支护，有利于回采工作面的高产高效。锚杆（索）支护大大简化了回采工作面超前支护及上下出口支护工序，省去了繁重的替棚工作，提高了端头的支护质量和安全可靠性，保证了出口的畅通，为综放面实现高产高效创造了有利条件。
（4）对社会的辐射效应。该支护方案对极不稳定顶板“三软”煤层巷道在大采深高应力、小煤柱、受地质构造影响、围岩非常破碎的情况下，采用预应力锚索—锚网梁先进支护加固手段，操作方便，使用性强，安全可靠，具有较好的推广价值。
6. 结束语
针对这次“三软”煤层的巷道支护研究表明，巷道的有效支护不全在于巷道的围岩性质、地质条件等环境因数的影响，关键在选择什么样的围岩下进行掘进支护，只要根据具体的条件采取可行的技术方案，严格执行措施要求，加强施工质量的控制，强化现场技术管理，就一定能达到较好的支护效果。通过此次支护研究结果，石屏一矿制定了适合“三软”煤层巷道有效的支护方式，即采用锚网梁索喷联合支护，表明了矿井在支护技术上的又一进步，该支护方式不仅降低了工人的劳动强度和材料成本，而且还提高了围岩的稳定性，同时也改善了“三软”煤层巷道支护现状，加快了煤及半煤巷的施工进度。
参考文献：
1、侯朝炯.郭励生.勾攀峰 煤巷锚杆支护 1999
2、竺光明 让压复合支护在高应力厚煤层中的应用 [期刊论文]中州煤炭2007(4)
3、王献辉.题正义.杨艳景.杨福辉 极软岩厚煤层回风巷支护技术 [期刊论文] -煤矿机电2006(1)
论文作者:黎兴强
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/9
标签：巷道论文; 围岩论文; 锚杆论文; 锚固论文; 断面论文; 煤层论文; 工作面论文; 《防护工程》2019年9期论文;